Bài viết này trình bày một số kết quả nghiên cứu về màng Polyvinylidene Fluoride/Carbon chấm lượng tử (PVDF/CDs) dạng sợi được chế tạo bằng phương pháp quay điện (PPQĐ). Kết quả cho thấy, màng PVDF/CDs được tạo bởi các sợi có đường kính cỡ 300÷800 nm.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học – ĐH Huế Tập 13, Số (2018) MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA MÀNG COMPOSITE CDs/PVDF TỔNG HỢP BẰNG PHƢƠNG PHÁP QUAY ĐIỆN Đỗ Phƣơng Anh1,2*, Nguyễn Văn Thịnh3, Nguyễn Trùng Dƣơng1, Ngô Khoa Quang1, Võ Thanh Tùng1, Trƣơng Văn Chƣơng1 Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế Trường THPT Trần Cao V}n, Bình Định Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật, Đại học Đ| nẵng *Email: dpasophys@gmail.com Ngày nhận bài: 5/10/2018; ngày hoàn thành phản biện: 10/10/2018; ngày duyệt đăng: 10/12/2018 TĨM TẮT Bài báo trình bày số kết nghiên cứu màng Polyvinylidene Fluoride/Carbon chấm lượng tử (PVDF/CDs) dạng sợi chế tạo phương ph{p quay điện (PPQĐ) Kết cho thấy, m|ng PVDF/CDs tạo sợi có đường kính cỡ 300÷800 nm Mặc khác, nồng độ tạp CDs tăng cường độ bền học mà ảnh hưởng đến tính chất quang - điện vật liệu Từ khóa: Các bon chấm lượng tử, PVDF, sợi nanô, quay điện MỞ ĐẦU Phương pháp quay điện (PPQĐ) l| kỹ thuật đơn giản sử dụng để chế tạo sợi với đường kính từ micromet đến hàng chục nanomet, đặc biệt tạo màng từ nhiều nguồn vật liệu kh{c Trên sở thiết bị quay điện E-HUSC-01, bước đầu chế tạo thành công màng sợi PVDF pha Các bon chấm lượng tử (CDs) Polyme PVDF chọn polymer điển hình có tính {p điện tương đối mạnh, có dạng kết tinh kh{c nhau: α, β, γ, δ v| ε Trong đó, pha β thể tính sắt điện Từ kết phân tích ảnh SEM, phổ hấp thụ UV-Vis, phổ FTIR, phổ XRD, độ bền kéo… cho thấy, vật liệu PVDF pha tạp CDs nồng độ khác có kích thước sợi v|i trăm nm không phát quang, tăng độ bền vật liệu mà làm tăng pha β Điều góp phần hướng đến nghiên cứu ứng dụng quan trọng vật liệu phát quang, vật liệu {p điện, … sử dụng thiết bị cảm biến, đ{nh dấu sinh học, thiết bị âm thanh, thiết bị thủy âm, thiết bị cho lượng tái tạo [3, 4, 5] 67 Một số tính chất màng composite CDs/PVDF tổng hợp phương pháp quay điện Bài báo trình bày kết nghiên cứu ban đầu màng composiste PVDF/CDs chế tạo công nghệ quay điện Trường Đại học Khoa học – Đại học Huế, hy vọng với hướng nghiên cứu tạo m|ng đa vật liệu, chúng tơi hồn thiện qui trình tiến tới nghiên cứu triển khai ứng dụng THỰC NGHIỆM 2.1 Chế tạo CDs CDs tổng hợp phương ph{p vi sóng Đầu tiên, dùng 1g axit citric trộn chung với 1g urê hòa tan 50 ml nước cất, sau đưa v|o lị vi sóng phút quan sát dung dịch ngả m|u n}u đen Vật liệu nghiền mịn hòa tan ethanol, li t}m 5000 vòng/phút để loại bỏ hạt to tạp chất Cuối cùng, sấy nhiệt độ 80oC khoảng 12 giờ, bột thu có dạng m|u đen hịa tan dung mơi DMF theo nồng độ khác 2.2 Chế tạo màng sợi PVDF/CDs PPQĐ Hòa tan bột PVDF hỗn hợp dung môi DMF/aceton (với tỉ lệ 1:1) ta dung dịch có nồng độ 16% khối lượng PVDF, khuấy siêu âm thời gian 30 phút 650C CDs đưa v|o với nồng độ từ đến 0,9% khối lượng (ký hiệu nồng độ CDs tương ứng l| CD0 đến CD9 bảng Hình Thiết bị quay điện E-HUSC-02 Đưa dung dịch vừa pha chế vào hệ phun Tốc độ phun điều chỉnh ml/h, khoảng cách từ đầu phun đến thu l| 12 cm, điện {p {p đặt 12 kV Bảng Kí hiệu mẫu vật liệu PVDF/CNTs Stt Kí hiệu mẫu P16 – CD0 Thành phần PVDF 16%wt + 0.0 wt% C-dots 68 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học – ĐH Huế P16 - CD1 PVDF 16%wt + 0.1 wt% C-dots P16 - CD3 PVDF 16%wt + 0.3 wt% C-dots P16 - CD5 PVDF 16%wt + 0.5 wt% C-dots P16 - CD7 PVDF 16%wt + 0.7 wt% C-dots P16 - CD9 PVDF 16%wt + 0.9 wt% C-dots Tập 13, Số (2018) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Tính phát quang CDs Cacbon Nanodots (C-dots, CDs) ng|y c|ng quan tâm chúng có tính chất độc đ{o, tính trơ hóa chất, khả ph{t quang, độ suy giảm tính chất quang thấp, khả g}y độc thấp, v| tương thích sinh học C-dots linh hoạt sử dụng nhiều công nghệ, chụp ảnh sinh học, quang xúc tác, cảm biến, laser, LED, thiết bị chuyển đổi / lưu trữ lượng [1,2] (a) (a) (a) (b) Hình (a) Ảnh SEM CDs, (b) Phổ UV-Vis dung dịch CDs nồng độ khác Ảnh SEM cho thấy CDs sau tổng hợp có kích thước khoảng 10 ÷ 100 nm, kích thước thay đổi nhiều phụ thuộc vào trình li tâm cho qua màng lọc siêu mịn Hình 2b cho thấy, dung dịch CDs hấp thụ mạnh vùng xạ tử ngoại dến vùng xạ xanh, chuyển màu từ xanh lam qua xanh lục phụ thuộc vào nồng độ CDs Ở nồng độ CDs 0,9% dung dịch có màu xanh lam rõ nét 69 Một số tính chất màng composite CDs/PVDF tổng hợp phương pháp quay điện Hình Phổ kích thích phát quang phổ phát quang (được chuẩn hố) dung dịch CDs 0,9%kl Kết hình cho thấy, kích thích xạ có bước sóng 490 nm, dung dịch CDs nồng độ 0,9% kl phát xạ mạnh bước sóng 564 nm 3.2 Hình thái học tính chất điện màng PVDF/CDs Hình hình thái bề mặt m|ng PVDF/CDs chế tạo PPQĐ v| phân bố kích thước sợi màng Các sợi có kích thước khác tùy thuộc vào nồng độ pha tạp CDs, xu hướng kích thước sợi tăng nồng độ tạp tăng Hình Ảnh SEM v| đường phân bố kích thước sợi màng PVDF 70 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học – ĐH Huế Tập 13, Số (2018) Bằng thực nghiệm cho thấy, nồng độ 16% khối lượng PVDF hỗn hợp có độ nhớt phù hợp với kĩ thuật phun điện q trình pha tạp CDs, kích thước sợi tương đối đồng M|ng PVDF/CDs cấu tạo sợi có kích thước tăng dần tăng nồng độ tạp v| hình th|nh c{c “bụng” chứa CDs c{ch rõ nét mẫu P16-CD9 Hình Phổ FTIR màng PVDF với nồng độ CDs khác Từ kết phân tích phổ hồng ngoại (FTIR) hình cho thấy, màng P16CD5 có hình thành pha c{ch rõ nét C{c đỉnh đặc trưng cho thấy cấu trúc β định vị 474, 509, 840, 1072, 1276, 1404 (cm-1) [4, 7] Điều n|y phù hợp với kết phân tích XRD hình Hình XRD màng PVDF/CDs với tỷ lệ CDs khác Có thể thấy, tăng h|m lượng CDs, cường độ đỉnh đặc trưng cho pha tăng 2θ = 20.7º v| đạt cực đại ứng với mẫu P16-CD5, sau giảm Nghĩa l|, CDs l|m tăng cường pha vật liệu PVDF/CNTs nồng độ tối ưu n|o Việc hình thành pha đồng nghĩa với kết tinh mạng thể polyme tăng lên, điều có lợi nhiều cho trình nghiên cứu ứng dụng thiết bị cảm biến, đ{nh dấu sinh học, thiết bị âm thanh, thiết bị thủy âm, thiết bị cho lượng tái tạo,… Hình Phổ XRD màng PVDF 16%kl với tỉ lệ pha tạp CDs khác 71 Một số tính chất màng composite CDs/PVDF tổng hợp phương pháp quay điện Chúng ta lý giải t{c động điện trường ngoài, CDs bị nhiễm điện tạo c{c điện tích cảm ứng bề mặt sợi, l|m tăng cường lực Coulomb, đó, vật liệu bị phân cực Lực liên kết mắt xích PVDF kết tinh bề mặt CDs Nói cách khác, CDs trở thành tác nhân chuyển đổi c{c vùng vơ định hình cục thành dạng kết tinh với cấu trúc β có cực Kết l|, lượng pha β PVDF/CDs tăng lên so với PVDF nguyên chất Tuy nhiên, nồng độ CDs cao (trên 0,5%wt) xuất c{c điện tích cảm ứng cục bề mặt CDs truyền theo chiều dọc bị trung hịa sợi v| l|m giảm tính phân cực vật liệu [3, 5] Trong trình tổng hợp vật liệu, việc kiểm tra tính chất học quan trọng, đặc biệt l| c{c m|ng polymer Đ}y l| điều kiện cần thiết để đ{nh gi{ tính chất vật liệu v| định hướng triển khai ứng dụng Độ bền kéo v| độ dãn dài màng vật liệu PVDF/CDs đ{nh gi{ thiết bị ASTM D882 – FILM TENSILE Trung tâm Kỹ thuật Nhựa – Cao su v| Đ|o tạo Quản lý Năng lượng, TP Hồ Chí Minh Thiết bị đo kiểm tra độ bền màng ghi lại kết cặp liệu: giá trị lực F(N) độ giãn l(mm), màng kéo dãn cực đại lực l| lớn Fmax ; Ở đ}y theo công thức biến đổi ta tính tốn vẽ lại đồ thị biểu diễn ứng suất lực σ (MPa) theo độ dãn tương đối ε (%) Hình Thiết bị kiểm tra độ bền màng biểu thị thống số lực kéo dãn F(N), độ dãn dài Δl(mm) m|ng PVDF/CDs, trước đứt (a) v| sau đứt (b) Hình Ứng suất lực v| độ dãn tương đối vật liệu PVDF/CDs 72 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học – ĐH Huế Tập 13, Số (2018) So với kết đo độ bền kéo c{c m|ng sợi PVDF m|ng PVDF pha tạp CDs có độ bền v| khả biến dạng tăng lên đ{ng kể Như việc pha tạp CDs vừa l|m tăng độ bền vật liệu đồng thời giữ tính đ|n hồi ma trận c{c sợi polyme Tuy nhiên, đưa h|m lượng tạp nhiều độ dãn vật liệu lại giảm đi, lý giải đưa lượng tạp nhiều l|m “xơ cứng” vật liệu KẾT LUẬN Trong báo này, màng PVDF pha tạp CDs chế tạo thàh công phương ph{p quay điện Kết nghiên cứu vi cấu trúc cho thấy, m|ng thu cấu thành sợi có đường kính trung bình khoảng 300÷800 nm với độ bền khả biến dạng tăng lên gấp nhiều lần Ngo|i ra, h|m lượng tạp CDs khơng có khả ph{t quang màng mà cịn ảnh hưởng đến hình thành pha β vật liệu Điều cho thấy vật liệu mở nhiều hướng nghiên cứu ứng dụng khác TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Osman Kargbo, Yan Jin and Shou-Nian Ding (2015), Recent Advances in Luminescent Carbon Dots, Current Analytical Chemistry, 11, 4-21 [2] Jilong Wang and Jingjing Qiu (2016), A review of carbon dots in biological applications, J Mater Sci, DOI 10.1007/s10853-016-9797-7 [3] B Ding and J Yu (2014), Electrospun Nanofibers for Energy and Environmental Applications, Springer-Verlag Berlin Heidelberg [4] Gwang Ho Kim, Soon Man Hong and Yongsok Seo (2009), Physical Chemistry Chemical Physic, doi 10.1039 / b912801h [5] F.K Ko and Y Wan (2012), Introduction to Nanofiber Materials, Cambridge University Press, 2014 [6] Mounir El Achaby, El Mokhtar Essassi, and Abouelkacem Qaiss, Sociaety of Plastics Engineers, 10.1002/spepro.004342 [7] Kyunghwan Yoon, Antonios Kelarakis , Journal of Nanomaterials, Vol 2014 [8] J O Williams (1993), “Narrow-band analyzer”, Ph.D dissertation, Dept Elect Eng., Harvard Univ., Cambridge, MA, USA [9] N Kawasaki (1993), “Parametric study of thermal and chemical nonequilibrium nozzle flow”, M.S thesis, Dept Electron Eng., Osaka Univ., Osaka, Japan 73 Một số tính chất màng composite CDs/PVDF tổng hợp phương pháp quay điện SOME PROPERTIES OF COMPOSITE CDs/PVDF FILM PREPARED BY ELECTROSPINNING METHOD Do Phuong Anh 1,2*, Nguyen Van Thinh3, Nguyen Trung Duong1, Ngo Khoa Quang1, Vo Thanh Tung1, Truong Van Chuong1 University of Sciences, Hue University Tran Cao Van High School, Binh Dinh College of Technology, Da Nang University *Email: dpasophys@gmail.com ABSTRACT In this paper, Carbon quantum dots doped Polyvinylidene Fluoride (PVDF/CDs) films were prepared by electrospinning method The obtained results indicate that the film involved the fibers with size about 300÷800 nm The effects of CDs concentration of the film on mechanical and optic-electrical properties were presented and discussed Keywords: Carbon quantum dots, electrospinning, nano fiber, PVDF Đỗ Phƣơng Anh sinh ngày 03/05/1979 Bình Định Năm 2001, ông tốt nghiệp cử nh}n ng|nh Vật lý – KTCN Trường Đại học Sư pham Quy Nhơn Năm 2010, ông tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ng|nh Vật lý Chất rắn trường Đại học Khoa học, Đại học Huế Từ năm 2001 đến nay, ông giảng dạy Trường THPT Trần Cao V}n, Qui Nhơn, Bình Định Từ năm 2013 đến nay, ông l| nghiên cứu sinh tiến sỹ chuyên ng|nh Vật lý Chất rắn Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế nh c nghiên cứu: Vật liệu {p điện, vật liệu composite, vật liệu nano… Trƣơng Văn Chƣơng sinh ngày 23/10/1956 Thừa Thiên Huế Năm 1978, ông tốt nghiệp cử nh}n ng|nh Vật lý lý thuyết Trường Đại học Tổng hợp H| Nội Năm 2002, ông tốt nghiệp tiến sĩ chuyên ng|nh Khoa học vật liệu Viện khoa học vật liệu - Viện h|n l}m khoa học v| công nghệ Việt nam Từ năm 1978 đến nay, ông l| giảng viên Trường Đại học Tổng hợp Huế, gọi l| Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế nh c nghiên cứu: gốm {p điện, thủy }m, vật liệu nano v| c{c lĩnh vực liên quan 74 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học – ĐH Huế Tập 13, Số (2018) Nguyễn Trùng Dƣơng sinh ng|y 20 th{ng 11 năm 1976 Quảng Bình Năm 1998, ông tốt nghiệp Đại học ng|nh Vật lý trường Đại học Khoa học Khoa học Huế Năm 2005, ông tốt nghiệp Cao học ng|nh Vật lý lý thuyết v| vật lý to{n Từ năm 2009 đến ông giảng dạy Ph}n hiệu Đại học Huế Quảng Trị Từ năm 2013 đến nay, ông l| nghiên cứu sinh ng|nh Vật lý chất rắn trường Đại học khoa học, Đại học Huế nh c nghiên cứu: Vật liệu {p điện, Vật liệu nano v| c{c lĩnh vực liên quan Ngô Khoa Quang sinh ngày 16/09/1984 Th|nh phố Huế Năm 2006, ông tốt nghiệp Cử nh}n ng|nh Vật lý Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế Năm 2009, ông tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ng|nh Quang học trường Đại học Khoa học, Đại học Huế Năm 2014, ông tốt nghiệp tiến sĩ chuyên ng|nh Khoa học Vật liệu Viện khoa học v| Công nghệ tiên tiến Nhật Bản (JAIST) Từ năm 2007 đến nay, ông giảng dạy Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế nh c nghiên cứu: Hiệu ứng Quang phi tuyến, Cộng hưởng plasmon bề mặt, Vật liệu có cấu trúc nano Nguyễn Văn Thịnh sinh ng|y 24/11/1968 Quảng Trị Năm 1996, ông tốt nghiệp Cử nh}n Khoa học ng|nh Vật lý Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế, ông tốt nghiệp Thạc sĩ chuyên ng|nh Kỹ thuật điện tử Trường Đại học B{ch khoa – Đại học Đ| Nẵng Từ 1998 đến nay, ông l| giảng viên dạy Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đ| Nẵng Từ năm 2016 đến nay, ông l| nghiên cứu sinh chuyên ng|nh Vật lý Chất rắn Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế nh c nghiên cứu: Vật liệu {p điện, kỹ thuật siêu }m công suất cao, kỹ thuật vi xử lý v| ứng dụng, xử lý tín hiệu số… Võ Thanh Tùng sinh ng|y 17/07/1979 Quảng Bình Năm 2001, ông tốt nghiệp cử nh}n ng|nh Vật lý Chất rắn Trường Đại học Tổng hợp Huế Năm 2004, ông tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ng|nh Vật lý Chất rắn, Năm 2009, ông tốt nghiệp tiến sĩ chuyên ng|nh Vật lý Chất rắn Belarus Năm 2015, ông phong h|m PGS v| l| Phó Hiệu trưởng Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế nh c nghiên cứu: Vật liệu {p điện, kỹ thuật siêu }m, mô lý thuyết, kỹ thuật vi xử lý v| ứng dụng, xử lý tín hiệu số… 75 Một số tính chất màng composite CDs/PVDF tổng hợp phương pháp quay điện 76 ... XRD màng PVDF 16%kl với tỉ lệ pha tạp CDs khác 71 Một số tính chất màng composite CDs/PVDF tổng hợp phương pháp quay điện Chúng ta lý giải t{c động điện trường ngoài, CDs bị nhiễm điện tạo c{c điện. . .Một số tính chất màng composite CDs/PVDF tổng hợp phương pháp quay điện Bài báo trình bày kết nghiên cứu ban đầu màng composiste PVDF/CDs chế tạo công nghệ quay điện Trường Đại... Dept Electron Eng., Osaka Univ., Osaka, Japan 73 Một số tính chất màng composite CDs/PVDF tổng hợp phương pháp quay điện SOME PROPERTIES OF COMPOSITE CDs/PVDF FILM PREPARED BY ELECTROSPINNING METHOD