Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính chất vật liệu poly lactic acid (PLA) trong kỹ thuật in 3D

• Tác giả: Trương Văn Tây
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Thái Hòa
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Vật Liệu
• Đề tài: Khảo sát thông số gia công nhiệt độ ảnh hưởng đến tính chất vật liệu Poly(lactic acid) bằng kỹ thuật in – 3D
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI MỞ ĐẦU
• MỤC LỤC
• 1. CHƯƠNG 1: Vật liệu nhiệt dẻo – vật liệu sinh học Poly(lactic acid)
• 1.1. Sản xuất và tổng hợp vật liệu Poly(lactic acid)
• 1.2. Tính chất phân hủy và ứng dụng của vật liệu PLA
• 1.3. Công nghệ in 3D (AM) – kỹ thuật in – 3D FDM
• 1.4. Dung dịch giả dịch thể người SBF
• 1.5. Tham khảo tài liệu nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Nguyên vật liệu sử dụng
• 2.1.1. Vật liệu sinh học PLA
• 2.1.2. Hóa chất sử dụng
• 2.1.3. Thiết bị sử dụng trong thực nghiệm
• 2.2. Cân kỹ thuật
• 2.3. Tủ ấm – lắc sinh học
• 2.4. Thiết kế chế tạo mẫu cấu trúc xốp scaffold và khối đặc
• 2.4.1. Quy trình thiết kế chế tạo mẫu
• 2.4.2. Thiết kế hình dạng kích thước mẫu cấu trúc và khối đặc
• 2.5. Nội dung và phương pháp khảo sát
• 2.5.1. Khảo sát tính chất cơ học
• 2.5.2. Khảo sát sự thay đổi cấu trúc và phân hủy của mẫu cấu trúc scaffold trong môi trường SBF
• 2.5.3. Phương pháp phân tích
• 2.5.3.1. Tính chất nhiệt dẻo của vật liệu PLA được xác định bằng phân tích nhiệt vi sai DSC
• 2.5.3.2. Phân tích phổ hồng ngoại FTIR của vật liệu PLA
• 2.5.3.3. Chỉ số dòng chảy được xác định bằng phương pháp MFI
• 2.5.3.4. Khối lượng phân tử được xác định bằng phương pháp sắc ký gel (GPC)
• 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Tính chất cơ học – gia công và tính chất nhiệt dẻo của vật liệu
• 3.1.1. Tính chất cơ học
• 3.1.2. Chỉ số chảy MFI
• 3.1.3. Phân tích nhiệt vi sai – DSC
• 3.1.4. Cấu tạo hóa học và khối lượng phân tử polyme
• 3.1.5. Phân tích phổ hồng ngoại – FTIR
• 3.1.6. Phân tích sắc ký gel – GPC
• 3.2. Cấu trúc vật liệu scaffold
• 3.2.1. Mật độ lỗ xốp bằng phương pháp cân thủy tĩnh
• 3.2.2. Phân tích kính hiển vi quang học
• 3.3. Tính chất phân hủy sinh học của vật liệu PLA
• 3.3.1. Ngâm phân hủy trong môi trường SBF
• 3.4. Tính chất cơ học
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về vật liệu PLA và công nghệ in 3D

Vật liệu PLA (Poly(lactic acid)) là một loại nhựa nhiệt dẻo phân hủy sinh học, được sản xuất từ các nguồn tài nguyên tái tạo như tinh bột ngô, mía và củ sắn. PLA có nhiều ứng dụng trong công nghệ in 3D, đặc biệt là trong lĩnh vực y sinh. Công nghệ in 3D FDM (Fused Deposition Modeling) cho phép tạo ra các sản phẩm với hình dạng phức tạp và độ chính xác cao. Việc khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính chất vật liệu PLA trong quá trình in 3D là rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và khả năng ứng dụng của sản phẩm. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc xác định các thông số gia công nhiệt độ từ 190 đến 210 độ C và tác động của chúng đến tính chất cơ học và tính chất phân hủy sinh học của PLA.

1.1. Tính chất vật liệu PLA

PLA có nhiều tính chất nổi bật như tính tương thích sinh học, khả năng phân hủy sinh học và tính chất cơ học tương đối tốt. Tốc độ phân hủy của PLA phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ kết tinh, khối lượng phân tử và hình thái học. Tính chất này rất quan trọng trong các ứng dụng y sinh, nơi mà thời gian tồn tại của vật liệu trong cơ thể cần được kiểm soát. Nghiên cứu cho thấy rằng PLA có thể duy trì cơ tính tốt trong điều kiện độ ẩm cao, điều này làm cho nó trở thành một lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng trong y sinh và công nghệ in 3D. Việc khảo sát tính chất vật liệu PLA sẽ giúp hiểu rõ hơn về khả năng ứng dụng của nó trong các lĩnh vực khác nhau.

II. Quy trình in 3D và ảnh hưởng của nhiệt độ

Quy trình in 3D bằng công nghệ FDM bao gồm việc nấu chảy vật liệu PLA và sau đó đùn nó qua một đầu phun để tạo ra các lớp sản phẩm. Nhiệt độ là một yếu tố quan trọng trong quy trình này, vì nó ảnh hưởng đến độ nhớt của vật liệu, khả năng bám dính giữa các lớp và cuối cùng là chất lượng của sản phẩm. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng nhiệt độ nóng chảy của PLA thường nằm trong khoảng 180 đến 220 độ C. Việc điều chỉnh nhiệt độ trong quá trình in có thể cải thiện đáng kể tính bền và tính dẻo của sản phẩm cuối cùng. Các thí nghiệm cho thấy rằng khi nhiệt độ gia công tăng lên, tính chất cơ học của PLA cũng có sự thay đổi rõ rệt, từ đó ảnh hưởng đến khả năng ứng dụng của nó trong thực tế.

2.1. Tác động của nhiệt độ đến tính chất cơ học

Khi nhiệt độ gia công tăng, tính bền và tính dẻo của PLA có xu hướng cải thiện. Các thí nghiệm cho thấy rằng ở nhiệt độ 210 độ C, PLA có thể đạt được độ bền kéo cao hơn so với khi in ở nhiệt độ thấp hơn. Điều này có thể được giải thích bởi sự gia tăng độ kết tinh và sự cải thiện trong quá trình liên kết giữa các chuỗi polymer. Tuy nhiên, nếu nhiệt độ quá cao, PLA có thể bị phân hủy, dẫn đến giảm chất lượng sản phẩm. Do đó, việc xác định nhiệt độ tối ưu là rất cần thiết để đảm bảo chất lượng và tính ứng dụng của sản phẩm in 3D.

III. Kết luận và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu về ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính chất vật liệu PLA trong in 3D đã chỉ ra rằng việc điều chỉnh nhiệt độ là rất quan trọng để tối ưu hóa chất lượng sản phẩm. Kết quả cho thấy rằng nhiệt độ gia công từ 190 đến 210 độ C có thể cải thiện đáng kể tính chất cơ học và khả năng phân hủy sinh học của PLA. Những phát hiện này không chỉ có giá trị trong nghiên cứu mà còn có thể được áp dụng trong thực tiễn, đặc biệt là trong lĩnh vực y sinh và sản xuất các sản phẩm thân thiện với môi trường. Việc sử dụng PLA trong công nghệ in 3D không chỉ giúp giảm thiểu tác động đến môi trường mà còn mở ra nhiều cơ hội mới cho các ứng dụng trong tương lai.

3.1. Ứng dụng trong y sinh

PLA có tiềm năng lớn trong lĩnh vực y sinh, đặc biệt là trong việc sản xuất các thiết bị y tế và mô hình sinh học. Việc sử dụng PLA trong in 3D cho phép tạo ra các cấu trúc phức tạp, phù hợp với nhu cầu của các ứng dụng y sinh. Nghiên cứu này đã chứng minh rằng việc điều chỉnh nhiệt độ trong quá trình in có thể cải thiện đáng kể tính chất phân hủy sinh học của PLA, từ đó mở rộng khả năng ứng dụng của nó trong các lĩnh vực như cấy ghép mô và sản xuất các thiết bị y tế. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả điều trị mà còn giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.