CHƢƠNG II : THỰC NGHIỆM
2.2.3. Khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số phản ứng đến sản phẩm HAP
2.2.3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng polymaltose
Các mẫu compozit HA/Polymaltose đƣợc tổng hợp với các hàm lƣợng khác nhau của HA theo bảng:
Hàm lƣợng
polymaltose (%) 20 25 35 50 65 80
Kí hiệu mẫu HAP20 HAP25 HAP35 HAP50 HAP65 HAP80
Bảng 2.1: Hàm lượng polymaltose trong các mẫu compozit
Các thí nghiệm đƣợc thực hiện ở nhiệt độ nhƣ trên theo PPC với mẫu polymaltose có DE = 25.
Tốc độ khuấy: 500 vòng/phút
Tốc độ cấp axit: 3 ml/phút
Nồng độ dung dịch H3PO4: 0,15 M Nồng độ huyền phù Ca(OH)2: 0,25 M
2.2.3.2. Ảnh hưởng của tốc độ cấp axit H3PO4
Tiến hành khảo sát tốc độ cấp axit H3PO4 ở ba mức độ nhƣ sau: Thí nghiệm 1: Tốc độ nhỏ axit là 1 ml/phút.
Thí nghiệm 2: Tốc độ nhỏ axit là 3 ml/phút. Thí nghiệm 3: Tốc độ nhỏ axit là 6 ml/phút .
Thực hiện các phản ứng ở 300C, các thông số khác (nồng độ, tốc độ khuấy) đƣợc duy trì nhƣ mục đƣợc duy trì nhƣ mục 2.2.3.1 theo PPC
2.2.3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng
Các thí nghiệm đƣợc thực hiện ở các nhiệt độ: Thí nghiệm T1: 300C. Mẫu đƣợc kí hiệu là HAPT1. Thí nghiệm T2: 600C. Mẫu đƣợc kí hiệu là HAPT2. Thí nghiệm T3: 900C. Mẫu đƣợc kí hiệu là HAPT3.
Thực hiện các phản ứng với các thông số khác (nồng độ, tốc độ khuấy, tốc độ cấp axit) đƣợc duy trì nhƣ mục đƣợc duy trì nhƣ mục 2.2.3.1 theo PPC.
2.2.3.4. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng
Các thí nghiệm đƣợc thực hiện ở các thời gian khuấy: Thí nghiệm t1: 3 giờ. Mẫu đƣợc kí hiệu là HAP3h. Thí nghiệm t2: 6 giờ. Mẫu đƣợc kí hiệu là HAP6h. Thí nghiệm t3: 8 giờ. Mẫu đƣợc kí hiệu là HAP8h.
Thực hiện các phản ứng ở 300C, các thông số khác (nồng độ, tốc độ cấp axit, tốc độ khuấy) đƣợc duy trì nhƣ mục 2.2.3.1 theo PPC
2.2.3.5. Ảnh hưởng của chế độ làm khô sản phẩm
Tiến hành khảo sát ảnh hƣởng của làm khô sản phẩm ở 3 điều kiện sau: Sấy sản phẩm trong máy đông khơ. Mẫu đƣợc kí hiệu là ĐK.
Sấy sản phẩm trong tủ sấy ở 60oC. Mẫu đƣợc kí hiệu là ST60. Sấy sản phẩm trong tủ sấy ở 100oC. Mẫu đƣợc kí hiệu là ST100.
Thực hiện các phản ứng ở 30oC, các thông số khác (nồng độ, tốc độ khuấy, tốc độ cấp axit) đƣợc duy trì nhƣ mục 2.2.3.1
Các mẫu đƣợc đánh giá bằng các phƣơng pháp XRD, SEM, TEM, FT – IR, DTA-TGA
2.3. Các phƣơng pháp xác định đặc trƣng
2.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X đƣợc dùng để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của vật liệu, cho phép xác định nhanh, chính xác các pha tinh thể, định lƣợng pha tinh
thể và kích thƣớc tinh thể với độ tin cậy cao. Có thể dùng phƣơng pháp XRD để xác định kích thƣớc trung bình của các hạt tinh thể theo cơng thức Scherrer:
(2.1)
Trong đó: D là kích thƣớc tinh thể trung bình, λ là bƣớc sóng của tia X; B là bề rộng nửa chiều cao của vạch nhiễu xạ (radian); θB là vị trí của vạch nhiễu xạ. Đối với HA, ngƣời ta thƣờng lấy vạch nhiễu xạ tại vị trí góc 2θ = 25,9o
tƣơng ứng với mặt (002).
Độ tinh thể (Xc) của HA trong vật liệu compozit HA/polyme thƣờng đƣợc xác định theo mối quan hệ giữa Xc và β002 và theo công thức:
KA = β002.3
Xc (2.2) Trong đó: Xc là độ tinh thể của HA;
β002 là bề rộng ở nửa chiều cao của vạch nhiễu xạ tại 25,9o tƣơng ứng với mặt (002); KA là hằng số có giá trị là 0,24.
Trong luận văn này, giản đồ XRD đƣợc đo trên máy trên máy D8- ADVANCE-BRUKER (Khoa Hóa Học, trƣờng Đại học KHTN Hà Nội).
2.3.2. Phương pháp phổ hồng ngoại (FT-IR)
Phổ hồng ngoại đƣợc dùng trong xác định cấu trúc phân tử của chất cần nghiên cứu, dựa vào vị trí và cƣờng độ các dải hấp thụ đặc trƣng của các nhóm chức có trong phân tử. Trong nghiên cứu về vật liệu compozit HA/polyme, phƣơng pháp phổ hồng ngoại đƣợc dùng để xác định các nhóm chức có mặt ở cả pha vơ cơ và hữu cơ. Các mẫu đƣợc ghi phổ hồng ngoại trên máy IMPACT 410-NICOLET, Mỹ (Khoa Hóa học, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội).
2.3.3. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)
SEM là một phƣơng pháp thƣờng đƣợc sử dụng để nghiên cứu hình thái bề mặt của vật liệu. Nguyên tắc hoạt động của phƣơng pháp này là một chùm elcetron đƣợc tăng tốc trong điện trƣờng, sau đó đƣợc đi qua các thấu kính từ tạo thành chùm hội tụ. Chùm tia này sẽ đƣợc quét lên trên bề mặt mẫu và tạo ra chùm electron thứ cấp. Các tia thứ cấp này sẽ đƣợc ghi nhận bằng detector và đƣợc
chuyển đổi thành tín hiệu dƣới dạng hình ảnh.
Cũng nhƣ với các vật liệu nano khác, SEM đƣợc xem nhƣ là một cơng cụ hữu hiệu để phân tích hình thái học và kích thƣớc của compozit HA/polyme.
Hình thái học và kích thƣớc hạt của các mẫu đƣợc xác định bằng phƣơng pháp SEM trên máy Hitachi S4800, Nhật Bản (Viện Vệ sinh Dịch tễ)
2.3.4. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
Hiển vi điện tử truyền qua là phƣơng pháp nghiên cứu vi cấu trúc của vật rắn, sử dụng chùm điện tử có năng lƣợng cao chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng và sử dụng các thấu kính từ để tạo ảnh với độ phóng đại rất lớn. Ảnh có thể tạo ra trên màn huỳnh quang, trên film quang học hay ghi nhận bằng các máy chụp kỹ thuật số. Trong nghiên cứu cấu trúc của compozit HA/polyme, ảnh TEM dùng để xác định hình dạng kích thƣớc của các hạt HA và sự phân bố của hạt HA trên nền polyme. Các mẫu đƣợc phân tích TEM trên thiết bị JEM 1010 (Nhật Bản) tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ƣơng.
2.3.5. Phương pháp phân tích nhiệt (TGA-DTA)
Năm 2004, Hiệp hội Quốc tế về phân tích nhiệt và đo nhiệt lƣợng đƣa ra định nghĩa: “Phân tích nhiệt là nhóm các kỹ thuật nghiên cứu quan hệ giữa tính chất và nhiệt độ của mẫu”. Phân tích nhiệt cho phép xác định tính chất nhiệt của vật liệu hoặc trực tiếp hoặc thông qua ảnh hƣởng của tác động nhiệt lên các tính chất cơ bản khác của nó. Ba dạng phổ biến trong phân tích nhiệt là: phân tích nhiệt trọng lƣợng TGA (theo dõi sự thay đổi khối lƣợng của mẫu theo thời gian hoặc nhiệt độ); phân tích nhiệt vi sai DTA (đo sự chênh lệch nhiệt độ giữa mẫu nghiên cứu và mẫu so sánh theo thời gian hoặc nhiệt độ) và phân tích nhiệt lƣợng vi sai quét DSC (đo sự thay đổi nhiệt lƣợng của mẫu theo nhiệt độ).
Các mẫu đƣợc phân tích TGA – DGT trên máy Labsys Evo, Setaram (Pháp) tại Viện Hóa học (Viện Hàn lâm Khoa học và Cơng nghệ Việt Nam) từ nhiệt độ phịng đến 600oC trong mơi trƣờng khơng khí.
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Lựa chọn phƣơng pháp tổng hợp HA/polymaltose
Trong luận văn này, chúng tôi lựa chọn phƣơng pháp tổng hợp compozit HA/polymaltose bằng phƣơng pháp kết tủa trực tiếp từ Ca(OH)2 và H3PO4. Quá
trình tạo thành HA theo phản ứng sau:
10Ca(OH)2 + 6H3PO4 → Ca10(PO4)6(OH)2 + 18H2O
Kết quả phân tích XRD:
Hình 3.1. Giản đồ XRD của các mẫu HAP tổng hợp theo phương pháp khác nhau (vạch đánh dấu * đặc trưng cho CaHPO4)
Trên giản đồ XRD của mẫu HAPb có sự xuất hiện của pha lạ, còn mẫu HAPa, HAPc đều chỉ xuất hiện các vạch nhiễu xạ đặc trƣng cho HA (JCPDS 24- 0033), khơng thấy sự có mặt của các pha lạ. Do sự có mặt của pha hữu cơ polymaltose và do kích thƣớc rất nhỏ của các hạt HA nên vạch nhiễu xạ nhìn chung mở rộng và có cƣờng độ khá thấp đặc biệt với mẫu HAPa, HAPc.
Nhƣ vậy, có thể thấy rằng phƣơng pháp tổng hợp HA khi thay đổi trình tự thêm polymaltose cũng khơng làm ảnh hƣởng đến sự hình thành đơn pha HA trong
compozit. Riêng với mẫu HAPb thì etanol đƣợc thêm vào trong q trình phản ứng với mục đích là để kết tủa polymaltose đồng thời cùng với kết tủa HA. Tuy nhiên, các thí nghiệm cho thấy phần lớn các mẫu HAP thu đƣợc từ phƣơng pháp này đều khơng cho HA đơn pha. Điều này có thể là do etanol là dung mơi kém phân cực hơn nƣớc rất nhiều đã làm hạn chế q trình hịa tan và phân ly của các chất phản ứng thành ion. Mặt khác, axit H3PO4 là axit trung bình nên trong dung mơi là etanol thì khả năng phân ly nấc thứ 3 rất khó khăn, nồng độ ion HPO42-
trong dung dịch tăng dẫn đến sự tạo thành CaHPO4. Nhƣ vậy, ngồi sản phẩm HAP có vạch nhiễu xạ của CaHPO4.
Kết quả đo phổ hồng ngoại là tƣơng tự nhau cho tất cả các mẫu, phổ FTIR của mẫu HAPc đại diện đƣợc cho trên Hình 3.2 cùng với phổ của mẫu HA và mẫu polymaltose P3. Hầu nhƣ tất cả các dải hấp thụ đặc trƣng cho HA và polymaltose đều có mặt trong phổ của mẫu HAP. Tuy nhiên, do sự có mặt của cả HA và polymaltose, một số dải hấp thụ yếu hầu nhƣ không quan sát thấy và một số dải khác mở rộng hoặc dịch chuyển nhẹ do sự chồng chập lẫn nhau của chúng.
Hình 3.2. Phổ FTIR của mẫu HA, polymaltose P3 và mẫu HAPc
nhiên, cũng bởi sự xen phủ lẫn nhau của các dải hấp thụ đặc trƣng cho các dao động chủ yếu trong HA và polymaltose, rất khó để có thể quan sát đƣợc những thay đổi của chúng trên phổ FTIR của các mẫu HAP. Các dải hấp thụ đặc trƣng cho nhóm PO43- ở 565 and 603 cm-1 và ở vùng 1000-1100 cm-1 [43] trùng với vùng hấp thụ đặc trƣng nhất cho polymaltose. Một vạch sắc nhọn ở 3570 cm-1 đặc trƣng cho nhóm OH-
trong phân tử HA [43]. Dải hấp thụ rộng trong vùng 3600 to 3200 cm-1 và ở khoảng 1600 cm-1
đƣợc qui cho nƣớc hấp thụ và dao động hóa trị liên kết O-H trong gốc đƣờng của polymaltose. Dải hấp thụ yếu ở 1410 cm-1 và 1450 cm-1 là do sự có mặt của tạp CO32- trong mạng HA [43]. Vạch hấp thụ kép gần 2900 cm-1, đƣợc tạo ra bởi dao động hóa trị C-H của nhóm CH3.
Kết quả phân tích TEM:
HA HAPa HAPc
Hình 3.3. Ảnh TEM của các mẫu HAP tổng hợp theo các phương pháp khác nhau ở thang đo 100nm, độ phóng đại 60000x
Quan sát trên các ảnh TEM của các mẫu, ta thấy có sự khác nhau rõ rệt về hình dạng cũng nhƣ kích thƣớc hạt của mẫu chế tạo bằng phƣơng pháp kết tủa trực tiếp so sánh với mẫu HA. Trong hai mẫu HAPa, HAPc có các hạt HA thu ngắn hơn rất nhiều, chiều rộng hạt rất nhỏ trong khi chiều dài cũng chỉ khoảng 10–15 nm. Mẫu HAPa, HAPc khơng có sự khác biệt nhau nhiều. Giữa các hạt có một lớp polymaltose bao phủ. Nhƣ vậy, polymaltose có vai trị bao bọc bảo vệ các hạt HA để hạn chế sự kết tập, giảm kích thƣớc hạt HA.
Các kết quả trên cho thấy việc thêm trước polymaltose vào huyền phù Ca(OH)2 hay thêm đồng thời với H3PO4, cho kết quả tương tự về hình thái và kích thước hạt HA. Tuy nhiên, ta lựa chọn cách thêm polymaltose cùng với H3PO4 để rút ngắn thời gian và thiết bị cho quá trình tổng hợp.
3.2. Lựa chọn polymaltose với DE thích hợp
Thí nghiệm đƣợc tiến hành trên cả bốn loại polymaltose P1, P2, P3 và P4 với DE trong khoảng 12-30. Kí hiệu mẫu HAP là HAP1, HAP2, HAP3 và HAP4 tƣơng ứng với 4 mẫu polymaltose P1, P2, P3 và P4.
Trong thí nghiệm này và tất cả các nghiên cứu về sau, HAP đều đƣợc tổng hợp theo phƣơng pháp kết tủa trực tiếp nhƣ đã lựa chọn trong phần 2.2.1.
Giản đồ XRD của các mẫu đƣợc cho trên Hình 3.4. Các giản đồ tƣơng tự nhau và đều chỉ ra sự tạo thành HA đơn pha trong mẫu HA chỉ có HA cũng nhƣ tất cả các mẫu HAP. Các vạch nhiễu xạ mở rộng do kích thƣớc rất nhỏ của các hạt HA, đặc biệt là trong các mẫu HAP.
Hình 3.4. Giản đồ XRD các mẫu HAP tổng hợp với DE khác nhau
Từ ảnh SEM của mẫu có thể thấy các hạt HA gần nhƣ hình trịn với kích thƣớc 20-30 nm. Tuy nhiên chúng sắp xếp thành chuỗi ngắn, rồi một số chuỗi lại dính nhau thành đám với kích thƣớc hai chiều khoảng 30-60 nm và 80-100nm.
Hình 3.5. Ảnh SEM của các mẫu HAP với polymaltose có DE khác nhau
Ảnh SEM của mẫu HAP1 và HAP2 với polymaltose DE 12-20 vẫn có sự kết đám rõ rệt của các hạt HA tƣơng tự nhƣ trong mẫu HAp. Trong mẫu HAP1, các đám hạt có kích thƣớc khá lớn chiều dài có thể tới 100nm, chiều rộng 40-60nm. Các đám kết tập này có xu hƣớng giảm đi đáng kể đối với mẫu HAP2, chiều rộng còn khoảng 20-40nm. Trong khi đó, thấy rõ rằng với polymaltose có DE 25-30, các hạt HAP3 và HAP4 phân tán tốt hơn rõ rệt, phần lớn các hạt rời rạc với biên hạt rõ nét, kích thƣớc hạt khoảng 20-25nm.
Những quan sát từ ảnh SEM chỉ ra ảnh hƣởng của chất nền polymaltose đến hình thái hạt HA. Polymaltose, đặc biệt với DE 25-30, tạo ra sự phân tán khá đồng
HA HAP1 HAP2
nhất của các hạt HA.Kết luận này đƣợc khẳng định rõ hơn với kết quả chụp ảnh TEM (Hình 3.6).
Hình 3.6. Ảnh TEM của các mẫu HAP với giá trị DE khác nhau ở thang đo 100nm, độ phóng đại 60000x ở thang đo 100nm, độ phóng đại 60000x
Có những tập hợp dạng que chiều rộng khoảng 30-50nm và dài tới 100nm trên ảnh TEM của mẫu HAp, tƣơng ứng với các đám chuỗi hạt trên ảnh SEM.Với mẫu HAP1 mức độ tập hợp hạt có giảm đi. Tiếp theo, với mẫu HAP2, sự phân tán của các hạt HA đƣợc cải thiện nhiều hơn. Còn trên ảnh TEM của mẫu HAP3 và HAP4, mặc dù các hạt HA chƣa tách rời hồn tồn, nhƣng có thể phân biệt đƣợc hạt ở kích thƣớc rất nhỏ, khoảng 10-15nm.
Trong sự hình thành HA/polyme, vai trò của các polyme nói chung là cung cấp các vị trí tạo mầm và bằng cấu trúc, kiểm sốt hình thái và kích thƣớc các hạt nano HA cũng nhƣ phân bố của chúng trong mạng polyme. Nhƣ một số nghiên cứu đã chỉ ra, nồng độ của các nhóm cacboxyl, hydroxyl hay amin trong phân tử polyme có ảnh hƣởng rõ rệt đến tốc độ và cơ chế tạo mầm HA. Mật độ các vị trí tạo mầm cũng ảnh hƣởng đến kích thƣớc của các tập hợp hạt và hình thái của chúng [43].
Trong luận văn này, các polymaltose khác nhau về độ dài chuỗi phân tử và cấu trúc nhánh, đƣợc đặc trƣng bởi giá trị DE. Trong số 4 polyme, các mẫu P3 và P4 với DE cao nhất 25 đến 30, có nồng độ nhóm OH cao nhất , số vị trí tạo mầm lớn nhất, nên mức độ tập hợp hạt là nhỏ nhất. Quan trọng hơn, các polymaltose P3 và P4 đƣợc thủy phân dùng enzyme Promozyme cắt mạch nhánh amylopectin nên có cấu trúc chuỗi phân tử gần nhƣ chỉ cịn lại mạch thẳng amylose. Trong khi đó, hai mẫu P1 và P2, cắt chủ yếu là mạch thẳng nên có cấu trúc vừa mạch thẳng và mạch nhánh. Sự khác nhau về DE tƣơng ứng với chiều dài và cấu trúc mạch phân tử polyme đã làm biến đổi các đặc trƣng của HAP tạo thành: khoảng không gian giới hạn sự phát triển của các hạt HA thu hẹp dẫn tới hạn chế sự phát triển và kết đám của các hạt HA.
Từ kết quả này khẳng định được rằng, polymaltose với DE 25-30 là thích hợp để tổng hợp HAP với kích thước hạt nhỏ và phân bố hạt tốt. Trong những nghiên cứu tiếp theo, chúng tôi sẽ sử dụng polymaltose với DE 25 vì polymaltose DE 30 với mức độ thủy phân cao quá trình phức tạp hơn, việc bảo quản cũng khó khăn hơn do mức độ hút ẩm tăng.
3.3. Khảo sát sự ảnh hƣởng của các thông số phản ứng đến sản phẩm HAP
3.3.1. Ảnh hưởng của hàm lượng polymaltose
Thí nghiệm đƣợc thực hiện với các giá trị hàm lƣợng polymaltose ban đầu thay đổi trong khoảng 20-80%. Hàm lƣợng polymaltose thực tế trong các mẫu HAP