Nghiên cứu chế tạo sợi micro nano từ polyethylene terephthalate bằng phương pháp forcespinning

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - VÕ PHONG PHÚ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO SỢI MICRO-NANO TỪ POLYETHYLENE TEREPHTHALATE BẰNG PHƯƠNG PHÁP FORCESPINNING Chuyên ngành: Kỹ Thuật Vật Liệu Mã số: 60520309 TP Hồ Chí Minh, Tháng 8/2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - VÕ PHONG PHÚ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO SỢI MICRO-NANO TỪ POLYETHYLENE TEREPHTHALATE BẰNG PHƯƠNG PHÁP FORCESPINNING Chuyên ngành: Kỹ Thuật Vật Liệu Mã số: 60520309 TP Hồ Chí Minh, Tháng 8/2018 i CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học : PGS.TS Huỳnh Đại Phú (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : PGS.TS Nguyễn Thị Phương Phong (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : PGS.TS Phạm Thành Quân (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 30 tháng năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) PGS.TS Nguyễn Đắc Thành PGS.TS Nguyễn Thị Phương Phong PGS.TS Phạm Thành Quân TS Nguyễn Thị Lê Thanh TS Cao Xuân Việt Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS.TS Nguyễn Đắc Thành TRƯỞNG KHOA PGS.TS Huỳnh Đại Phú ii ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Võ Phong Phú MSHV: 1770195 Ngày, tháng, năm sinh: 18/10/1994 Nơi sinh: Tp.Hồ Chí Minh Chuyên ngành: Kỹ Thuật Vật Liệu Mã số : 60520309 I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên Cứu Chế Tạo Sợi Micro-Nano Từ Polyethylene Terephthalate Bằng Phương Pháp Forcespinning (Centrifugalspinning) NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu thiết kế lắp đặt hệ thí nghiệm chế tạo sợi micro-nano phương pháp Forcespinning (Centrifugalspinning) - Khảo sát độ nhớt dung dịch rPET hệ dung mơi 3TFA:7DCM, tìm vùng nồng độ có khả tạo sợi q trình Centrifugalspinning - Khảo sát yếu tố ảnh hưởng đến hình thái kích thước sợi q trình Centrifugalspinning - Khảo sát tính màng tạo từ sợi micro-nano từ q trình Centrifugalspinning - Khảo sát tính chất nhiệt sợi micro-nano từ trình Centrifugalspnning II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/01/2018 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18/07/2018 IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS Huỳnh Đại Phú Tp HCM, ngày tháng năm 2018 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN PGS.TS Huỳnh Đại Phú TS La Thị Thái Hà TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU PGS.TS Huỳnh Đại Phú iii Lời Cảm Ơn LỜI CẢM ƠN Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô tận tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức cho tơi trình học tập nghiên cứu Trường Tôi xin gởi lời tri ân đến Thầy Huỳnh Đại Phú, người trực tiếp hướng dẫn thực luận văn Thầy ln tận tình bảo, chia kiến thức q báu cho tơi từ ngày đầu sinh viên Xin gởi lời cám ơn đến anh chị cơng tác Phịng thí nghiệm trọng điểm quốc gia Polyme Composite bảo chia kinh nghiệm làm việc cho Tôi xin gửi lời cám ơn đến anh Phạm Ngọc Sinh, Đoàn Ngọc Hoan, Nguyễn Kim Diện, Nguyễn Nhật Trường, Nguyễn Minh Trí người đóng góp ý kiến thảo luận chun mơn suốt trình làm luận văn Xin gởi lời cảm ơn đến Thầy Huỳnh Đại Phú, Thầy Naoto Tsutumi, Thầy Kenji Kinashi, Thầy Wataru Sakai tập thể sinh viên, học viên phịng thí nghiệm Functional Polymer Design – Kyoto Institute of Technology, Japan giúp đỡ vật chất tinh thần trình thực thực nghiệm Xin cám ơn tồn thể anh em nhóm luận văn thầy Huỳnh Đại Phú hướng dẫn, người gắn bó tơi suốt thời gian qua Và cuối cùng, xin cảm ơn ba mẹ bạn gái giúp đỡ vật chất tinh thần tơi suốt q trình làm luận văn Trong q trình thực luận văn, khơng tránh khỏi sai sót, mong thầy cơ, anh chị bạn thơng cảm đóng góp ý kiến Xin chân thành cảm ơn! Võ Phong Phú Đề tài thực Phịng thí nghiệm Functional Polymer Design – Kyoto Institute of Technology, Japan Phịng thí nghiệm trọng điểm Vật liệu Polyme composite Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh iv Tóm Tắt Luận Văn TÓM TẮT LUẬN VĂN Sợi micro-nano (sau gọi tắt sợi submicron) chế tạo nhiều phương pháp khác nhau, phương pháp Centrifugalspinning phương pháp có suất cao, sản xuất lượng lớn sợi thời gian ngắn, thích hợp việc sản xuất thực tế Độ nhớt nội dung dịch rPET tái chế (rPET) xác định nhằm xác định nồng độ dung dịch tạo sợi sau trình Centrifugalspinning Nồng độ dung dịch rPET, tốc độ quay spinneret, kích thước đầu kim phun khảo sát để xác định nồng độ ảnh hưởng đến hình thái kích thước sợi sau q trình Centrifugalspinning Màng tạo từ sợi submicron sau trình Centrifugalspinning xác định tính chất lý tính chất nhiệt Trong luận văn khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hình thái, kích thước sợi, hàm lượng kết tinh tính chất lý sau: Nồng độ dung dịch rPET (wt%): 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 Tốc độ quay spinneret (rpm): 15000, 12000, 9000, 6000 Đường kính đầu kim phun (µm): 160, 260, 340 Qua q trình nghiên cứu cho thấy sợi thu có hình thái đường kính tối ưu điều kiện: nồng độ dung dịch rPET 10 wt%, tốc độ quay spinneret 15000rpm, đường kính đầu kim phun 160 µm với đường kính sợi 619±235nm khơng có hạt xuất hiện, mức độ kết tinh 15.1%, ứng suất kéo 4.3 Mpa, modulus 34.4 Mpa, phần trăm biến dạng 167 % v Tóm Tắt Luận Văn ABSTRACT Centrifugal spinning, which is a high-productivity fiber fabrication technique, was used to produce a value-added product from recycled poly(ethylene terephthalate) (rPET) In the present study, rPET fibers, with fiber diameters ranging from submicron to micrometer in scale, were fabricated by spinning a solution of rPET in a mixture of dichloromethane and trifluoroacetic acid The influence of the polymer solution concentration (the viscosity), the rotational speed of the spinneret, and the inner diameter of the needles on the formation and morphology and mechanical properties of the fibers were examined through scanning electron microscopy and using a tensile testing machine The thermal behaviors of fibrous mats with various average diameters were also investigated through differential scanning calorimetry The smoothest and smallest fibers, with an average diameter of 619 nm, were generated using an rPET solution of 10 wt % under a rotation speed of 15,000 rpm using needles having an inner diameter of 160 µm The fibrous mats have an average tensile strength and modulus of 4.3 MPa and 34.4 MPa, respectively The productivity and the mechanical properties indicate that centrifugal spinning is an effective technique to fabricate high-value product from rPET vi Lời Cam Đoan Của Tác Giả Luận Văn LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN Tôi xin cam đoan toàn số liệu luận văn kết nghiên cứu thực hướng dẫn PGS.TS Huỳnh Đại Phú vii Mục Lục MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ III LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT LUẬN VĂN v ABSTRACT vi LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN vii DANH MỤC BẢNG VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU xvii ĐẶT VẤN ĐỀ .1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Các phương pháp chế tạo sợi polymer có kích thước submicron 1.1.1 Blow spinning 1.1.2 Electrospinning Centrifugalspinning 10 1.2.1 Giới thiệu 10 1.2.2 Cơ sở lý thuyết phương pháp centrifugalspinning 10 1.2.3 Thiết bị centrifugalspinning 11 1.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình centrifugalspinning 11 Sợi submicron polymer ứng dụng 18 1.3.1 Sợi submicron polymer .18 1.3.2 Ứng dụng sợi submicron polymer 18 Giới thiệu Polyethylen terephthalate 24 1.4.1 Polyethylen terephthalate 24 1.4.2 Thực trạng sử dụng tái chế PET 27 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM .30 Mục tiêu đề tài 31 viii Mục Lục Nội dung đề tài 31 Phương pháp thực nghiệm 31 2.3.1 Nguyên liệu 31 2.3.2 Thiết bị quy trình thực nghiệm 33 Phương pháp phân tích đánh giá 40 2.4.1 Đo độ nhớt 40 2.4.2 Quan sát hình thái sợi kính hiển vi điện tử qt (SEM) 41 2.4.3 Tính tốn vẽ biểu đồ phân bố kích thước sợi, phần trăm hạt đường kính hạt 42 2.4.4 Phương pháp phân tích nhiệt vi sai (DSC) 43 2.4.5 Đo tính màng tạo từ sợi submicron .44 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 46 Kiểm tra nguyên liệu đầu vào 47 Dự đoán khả tạo sợi rPET hệ dung dịch 3TFA:7DCM 47 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ dung dịch polymer đến hình thái đường kính sợi submicron polymer 51 Khảo sát ảnh hưởng tốc độ quay đến hình thái đường kính sợi submicron polymer 57 Khảo sát ảnh hưởng kích thước đầu kim đến hình thái đường kính sợi submicron polymer 60 Khảo sát ảnh hưởng nồng độ dung dịch polymer đến tính màng tạo từ sợi submicron polymer .62 Khảo sát ảnh hưởng tốc độ quay đến tính màng tạo từ sợi submicron polymer 65 Khảo sát ảnh hưởng kích thước đầu kim phun đến tính màng tạo từ sợi submicron polymer 68 ix Phụ Lục Kết đo diện tích hạt nồng độ wt % rPET, tốc độ quay 15000 rpm, kích thước đầu kim phun 160 µm Label 1.BMP 1.BMP 1.BMP 1.BMP 1.BMP 1.BMP 1.BMP 1.BMP 1.BMP 1.BMP 1.BMP 1.BMP Diện tích tồn Area (µm2) 246 101.84 392.28 206.52 65.04 24.04 68.28 336.64 187.28 438.28 556.84 47.84 44441.6 Label 2.BMP 2.BMP 2.BMP 2.BMP 2.BMP 2.BMP 2.BMP 2.BMP 2.BMP 2.BMP 2.BMP 2.BMP 2.BMP 2.BMP 2.BMP Area (µm2) 49.2 309.08 47.32 43.72 119.48 481.08 79.52 158.84 252.92 40.08 228.08 48.12 28.44 52.88 20.32 Label 3.BMP 3.BMP 3.BMP 3.BMP 3.BMP 3.BMP 3.BMP 3.BMP 3.BMP 3.BMP 3.BMP 3.BMP 3.BMP 3.BMP Area (µm2) 23.12 20.24 240.6 88.28 48.72 702.28 211.68 28.56 20.04 932.76 252.96 31.4 14.24 274.96 % Area Bead 5.BMP 6.01 % Area Bead 6.BMP 4.41 % Area Bead 7.BMP 6.50 Ave area Bead 5.64 115 Phụ Lục Kết đo diện tích hạt nồng độ 10 wt % rPET, tốc độ quay 12000 rpm, kích thước đầu kim phun 160 µm Label 1.BMP 1.BMP 1.BMP 1.BMP 1.BMP 1.BMP 1.BMP 1.BMP 1.BMP 1.BMP 1.BMP 1.BMP 1.BMP 1.BMP Area (µm2) 92.24 121.44 16.68 131 92.72 91.12 312.96 74.44 139.04 335.04 203.6 482.88 154.28 84.44 Label 2.BMP 2.BMP 2.BMP 2.BMP 2.BMP 2.BMP 2.BMP 2.BMP 2.BMP Diện tích tồn Area (µm2) 252.16 100.16 219.24 775.44 441.8 243.68 37.36 48.68 69.52 44441.6 Label 3.BMP 3.BMP 3.BMP 3.BMP 3.BMP 3.BMP 3.BMP 3.BMP 3.BMP 3.BMP 3.BMP 3.BMP 3.BMP 3.BMP 3.BMP Area (µm2) 171.88 103.24 46.6 39.76 120.16 114.84 65.28 580.2 107.2 61.32 48.56 83.36 23.96 1406.48 335.08 % Area Bead 1.BMP 5.24 % Area Bead 2.BMP 4.92 % Area Bead 3.BMP 7.44 Ave area Bead 5.24 116 Phụ Lục Kết đo diện tích hạt nồng độ 10 wt % rPET, tốc độ quay 9000 rpm, kích thước đầu kim phun 160 µm Label 1.BMP 1.BMP 1.BMP 1.BMP 1.BMP 1.BMP 1.BMP 1.BMP 1.BMP 1.BMP 1.BMP 1.BMP Area (µm2) 490.44 278.92 364.44 245.4 107.04 133.32 59.2 303.36 565.64 536.96 424.6 120.84 Label 2.BMP 2.BMP 2.BMP 2.BMP 2.BMP 2.BMP 2.BMP 2.BMP 2.BMP 2.BMP 2.BMP Area (µm2) 421.56 899.72 607.52 343.32 282.36 480.6 43.84 585.04 53.04 746.28 282.12 Label 4.BMP 4.BMP 4.BMP 4.BMP 4.BMP 4.BMP 4.BMP 4.BMP Diện tích tồn Area (µm2) 413.88 74.32 358.68 72.16 803.36 273.04 2608.08 36.28 % Area Bead 1.BMP 8.17 % Area Bead 2.BMP 10.678 % Area Bead 4.BMP 10.44 Ave area Bead 9.76 44441.6 117 Phụ Lục Kết đo diện tích hạt nồng độ 10 wt % rPET, tốc độ quay 6000 rpm, kích thước đầu kim phun 160 µm Label 3.BMP 3.BMP 3.BMP 3.BMP 3.BMP 3.BMP 3.BMP 3.BMP 3.BMP 3.BMP 3.BMP 3.BMP 3.BMP 3.BMP Area (µm2) 3369.33 2631.11 1226.78 531.44 398.33 59.33 53.56 3309.89 469.11 328.56 752.33 1736.67 4548.00 4232.78 Label Area (µm2) 3302.78 4017.89 268.89 4244.22 98.44 625.56 1409.33 189.00 73.56 5082.67 4275.67 4.BMP 4.BMP 4.BMP 4.BMP 4.BMP 4.BMP 4.BMP 4.BMP 4.BMP 4.BMP 4.BMP Diện tích 123448.89 tồn Label 2.BMP 2.BMP 2.BMP 2.BMP 2.BMP 2.BMP 2.BMP 2.BMP 2.BMP 2.BMP 2.BMP 2.BMP Area (µm2) 705.44 947.78 1225.89 471.33 210.22 177.11 740.22 59.44 3780.11 3255.33 4163.11 4481.67 % Area Bead 3.BMP 19.16 % Area Bead 4.BMP 19.11 % Area Bead 2.BMP 16.38 Ave area Bead 18.21 118 Phụ Lục Kết DSC mẫu PET tái chế (gia nhiệt lần lần 2) 119 Phụ Lục Kết DSC mẫu sợi nồng độ wt % rPET, tốc độ quay 15000 rpm, kích thước đầu kim phun 160 µm (gia nhiệt lần lần 2) 120 Phụ Lục Kết DSC mẫu sợi nồng độ 10 wt % rPET, tốc độ quay 15000 rpm, kích thước đầu kim phun 160 µm (gia nhiệt lần lần 2) 121 Phụ Lục Kết DSC mẫu sợi nồng độ 13 wt % rPET, tốc độ quay 15000 rpm, kích thước đầu kim phun 160 µm (gia nhiệt lần lần 2) 122 Phụ Lục Kết DSC mẫu sợi nồng độ 10 wt % rPET, tốc độ quay 12000 rpm, kích thước đầu kim phun 160 µm (gia nhiệt lần lần 2) 123 Phụ Lục Kết DSC mẫu sợi nồng độ 10 wt % rPET, tốc độ quay 9000 rpm, kích thước đầu kim phun 160 µm (gia nhiệt lần lần 2) 124 Phụ Lục Kết DSC mẫu sợi nồng độ 10 wt % rPET, tốc độ quay 6000 rpm, kích thước đầu kim phun 160 µm (gia nhiệt lần lần 2) 125 Phụ Lục Kết DSC mẫu sợi nồng độ 10 wt % rPET, tốc độ quay 15000 rpm, kích thước đầu kim phun 260 µm (gia nhiệt lần lần 2) 126 Phụ Lục Kết DSC mẫu sợi nồng độ 10 wt % rPET, tốc độ quay 15000 rpm, kích thước đầu kim phun 340 µm (gia nhiệt lần lần 2) 127 Phụ Lục Phương pháp template transfer method (TTM) Phương pháp dùng để xác định tính màng tạo từ sợi có kích thước nhỏ Q trình chuẩn bị mẫu sau : - Hai bìa cứng có kích thước 3*4 cm Giữa có cắt hình chữ nhật có kích thước 1*2 cm - Sợi đặt lên bìa cứng cố định keo hai mặt chuyên dụng - Một bìa cứng khác đặt lên cho bìa cứng trùng Trước kẹp bìa cứng kèm mẫu, dùng dao cắt dọc theo cạnh dài hình chữ nhật, cho màng tạo từ sợi chịu lực phần cạnh ngắn (1 cm) hình chữ nhật Tiến hành kẹp mẫu vào máy đo tính thực phép đo với tốc độ kéo 5mm/phút Sau thực xong phép đo, tiến hành cắt mẫu vùng hình chữ nhật cân khối lượng mẫu Tính tốn chiều dầy màng từ khối lượng mẫu, tỷ trọng loại polymer diện tích hình chữ nhật có kích thước 1*2 cm Mỗi mẫu tiến hành đo tính lần, lựa chọn lần đo gần 128 Lý Lịch Trích Ngang PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Võ Phong Phú Ngày, tháng, năm sinh: 18/10/1994 Nơi sinh: Tp.Hồ Chí Minh Địa liên lạc: 52 ấp Tân Hậu I, xã Tân Trung, huyện Mỏ Cày Nam Tỉnh Bến Tre QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Trường: Đại học Bách khoa – Đại học quốc gia Tp HCM Niên khóa: 2012 – 2017 Bậc đào tạo: Đại học Hệ đào tạo: Chính quy Khoa: Cơng nghệ Vật liệu Chuyên ngành: Vật liệu Polyme 129 ... TÀI: Nghiên Cứu Chế Tạo Sợi Micro- Nano Từ Polyethylene Terephthalate Bằng Phương Pháp Forcespinning (Centrifugalspinning) NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu thiết kế lắp đặt hệ thí nghiệm chế tạo. .. polyme lĩnh vực nghiên cứu chế tạo sợi micro- nano phương pháp Forcespinning hệ cải tiến hệ Forcespinning • Giải tốn suất tạo sợi micro- nano, giá thành sản phẩm Góp phần đưa sợi micro- nano ứng dụng... Hình Nghiên Cứu Ngoài Nước  Hệ chế tạo sợi submcron phương pháp Centrifugalspinning Có nhiều báo cho thấy trình tạo sợi submicron phương pháp Centrifugalspinning phương pháp cải tiến phương pháp