CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
3.3. Ảnh hưởng của nồng độ PVA
Nồng độ có ảnh hưởng lớn đến mức độ hình thành lỗ xốp của PVA gel. PVA ở nồng độ thấp hoặc cao sẽ ảnh hưởng đến kích thước và sự phân bố lỗ xốp của PVA gel sau 3 chu kì lạnh đông- rã đông. Với thời gian và nhiệt độ tối ưu được xác định tương ứng là 6 giờ và 60 oC, nồng độ PVA được thay đổi từ 2, 4, 6, 8 đến 10 % để khảo sát khả năng hình thành lỗ xốp của vật liệu PVA gel.
3.3.1 Độ thủy phân
Độ thủy phân của dung dịch PVA thu được ở các nồng độ phản ứng khác nhau được thể hiện ở hình 3.15.
Hình 3.15: Đồ thị ảnh hưởng của nồng độ đến độ thủy phân PVA.
Qua đồ thị ta thấy các mẫu đều đạt mức độ thủy phân cao (trên 99 %) và giá trị chênh lệch không đáng kể. Về lý thuyết thì khi tiến hành phản ứng ở nồng độ 10 % mức độ thủy phân đạt trên 99 % thì ở các nồng độ thấp hơn độ thủy phân cũng phải đạt giá trị này. Kết quả này một lần nữa cho phép thể hiện độ lặp lại của thí nghiệm khi tiến hành ở các điều kiện tối ưu đã xác định (6 giờ và 60 oC).
3.3.2. Lượng nước thôi ra và độ co mẫu
Phần trăm nước thôi ra và độ co của mẫu theo nồng độ dung dịch sau mỗi chu kì lạnh đông – rã đông đã được khảo sát. Kết quả thu được được trình bày trong hình 3.16 và 3.17 sau.
Hình 3.16: Biểu đồ lượng nước thôi ra (%) sau mỗi chu kì lạnh đông-rã đông của các mẫu.
0 5 10 15 20 25
Mẫu 6h-60°C- 10%
Mẫu 6h-60°C- 8%
Mẫu 6h-60°C- 6%
Mẫu 6h-60°C- 4%
Độ co mẫu (%)
Lần 1 Lần 2 Lần 3
Hình 3.17: Biểu đồ độ co mẫu (%) của các mẫu sau mỗi chu kì lạnh đông-rã.
Với các mẫu PVA 10%, 8%, 6% lượng nước thôi ra là tương tự nhau và độ co mẫu tăng dần sau mỗi chu kì lạnh đông. Tuy nhiên ở mẫu PVA 4% có lượng nước thôi ra và độ co mẫu rất lớn và có sự chênh lệch cao so với 3 mẫu còn lại. Điều này có thể được giải thích là do mật độ mạch PVA thấp nên khi kết tinh phần vô định hình còn lại không đủ để giữ các phân tử nước trong cấu trúc gel buộc chúng phải thôi ra khỏi cấu trúc. Lượng nước thôi ra nhiều dẫn đến độ co mẫu lớn. Mẫu có nồng độ 2% là quá
thấp để hình thành nên một gel bền nên lượng nước thôi ra và độ co mẫu không được khảo sát.
3.3.3. Kích thước và sự phân bố lỗ xốp
Kích thước và sự phân bố lỗ xốp được quan sát dưới kính hiển vi điện tử quét (SEM) ở các độ phóng đại lần lượt là 500 lần và 50 lần. Kết quả ảnh SEM được thể hiện trên hình 3.18, 3.19, 3.20 và 3.21.
Hình 3.18: Ảnh SEM PVA gel 6h-60oC-10% độ phóng đại 50 và 500 lần.
Hình 3.19: Ảnh SEM PVA gel 6h-60oC-8% độ phóng đại 50 và 500 lần.
Hình 3.20: Ảnh SEM mẫu PVA 6h-60oC-6% độ phóng đại 50 và 500 lần.
Hình 3.21: Ảnh SEM mẫu PVA 6h-60oC-4% độ phóng đại 50 và 500 lần.
Từ ảnh SEM có thể thấy rằng sự phân bố lỗ xốp và cấu trúc lỗ xốp có sự khác nhau khi có sự thay đổi nồng độ. Mẫu PVA có nồng độ 4% đã bắt đầu hình cấu trúc lỗ xốp, tuy nhiên sự phân bố xốp chưa đồng đều. Các lỗ xốp chủ yếu tập trung ở phần rìa của mẫu, phần bền trong hầu như không có. Một số lỗ xốp có kích thước tương đối lớn (d>50àm). Phần lỗ xốp được xem là phần cỏc tinh thể nước đỏ để lại sau quỏ trỡnh sấy thăng hoa, thành của lỗ xốp là phần tập hợp của các mạch PVA hay là phần kết tinh hình thành trong quá trình lạnh đông. Trong quá trình lạnh đông vật liệu, phía bên ngoài tiếp xúc nhiệt nhanh hơn nên số mầm tinh thể nước đá hình thành nhiều dẫn đến cấu trúc lỗ xốp nhỏ xuất hiện. Vật liệu polymer có khả năng truyền nhiệt kém nên phần bên trong cấu trúc các tinh thể nước đá hình thành với kích thước lớn hơn. Trong một số trường hợp, khi hỗn hợp được làm lạnh mạch polymer trở nên kém linh động, nước được tách dần ra khỏi pha PVA nhưng các mạch PVA lại chưa thể tiến đến gần nhau để tạo nên vùng tinh thể. Kết quả là vật liệu tồn tại ở dạng gel nhưng lại không hình thành lỗ xốp. Khi nồng độ PVA tăng lên 6%, sự phân bố lỗ xốp trên toàn mẫu trở nên đồng đều, mật độ lỗ xốp cũng dày đặc và có kích thước đồng đều hơn. Nhưng khi nồng độ dung dịch PVA tăng trên 8% thì lỗ xốp chỉ được quan sát thấy ở lớp bề mặt ngoài của mẫu sau sấy mà không có bất kỳ một lỗ xốp nào được hình thành bên trong.
Kết quả này có thể được giải thích là do mật độ mạch PVA lớn khi nồng độ tăng nên làm tăng khả năng tập hợp các vùng kết tinh và giảm vùng vô định hình.
3.3.4. Độ bền gel
Độ bền gel thay đổi không đáng kể khi mẫu được tạo thành từ các dung dịch PVA có nồng độ khác nhau. Kết quả được thể hiện trên hình 3.22. Có thể thấy dù mẫu được tạo thành ở bất kỳ nồng độ nào thì sau 3 chu kỳ lạnh đông – rã đông vẫn còn một số mạch PVA chưa được tham gia vào cấu trúc kết tinh. Với mẫu 4 %, có sự tăng nhẹ về khối lượng sau 48h sục và được giải thích là do sự hấp thu nước trở lại. Quá trình hấp thu nước trở lại chỉ xảy ra khi một số phần kết tinh bị phá vở và giải phóng các mạch PVA tự do chứa nhóm –OH có khả năng lưu giữ nước.
Hình 3.22: Biểu đồ độ giảm khối lượng của các mẫu sau mỗi lần sục
Như vậy, qua quá trình khảo sát về sự thay đổi thời gian thủy phân, nhiệt độ thủy phân và nồng độ dung dịch PVA có thể kết luận rằng thay đổi thời gian và nhiệt độ chỉ ảnh hưởng đến mức độ thủy của PVA tạo điều kiện cho quá trình hình thành gel thuận lợi mà không ảnh hưởng đến khả năng tạo lỗ xốp. Sự thay đổi nồng độ có ảnh hưởng lớn đến kích thước và sự phân bố của lỗ xốp. Từ các khảo sát trên điều kiện tối ưu được lựa chọn là: thời gian phản ứng thủy phân 6 giờ ở nhiệt độ 60 oC với nồng độ PVA là 6 %. Sản phẩm tạo ra trong điều kiện này có lỗ xốp đồng đều, kích thước lỗ xốp dao động 4-20 àm thuận lợi cho vi sinh vật phỏt triển và cú độ bền cao khi được sục liên tục trong bể aerotank.