Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong lĩnh vực khoa học và kỹ thuật vật liệu, graphene là vật liệu hai chiều được cấu tạo từ các nguyên tử carbon liên kết lai hóa $sp^2$ tạo thành mạng lưới lục giác. Từ khi được Konstantin Novoselov và Andre Geim phát lập vào năm 2004 bằng phương pháp bóc tách cơ học, graphene thu hút sự quan tâm lớn nhờ các đặc tính cơ lý nổi bật: diện tích bề mặt lý thuyết đạt $2630\text{ m}^2/\text{g}$, độ dẫn nhiệt đạt khoảng $5000\text{ W}/(\text{m}\cdot\text{K})$, mô đun Young đạt $0{,}5\text{ -- }1{,}0\text{ TPa}$, độ bền kéo lý thuyết $125\text{ -- }130\text{ GPa}$, cùng độ linh động điện tử cao.

Sơn phủ là hệ vật liệu được ứng dụng rộng rãi nhằm bảo vệ và trang trí bề mặt kim loại, gỗ và nhựa trước các tác nhân xâm thực của môi trường. Trong đó, màng phủ nhựa alkyd và alkyd biến tính epoxy là hệ sơn bảo vệ bề mặt kim loại phổ biến nhờ giá thành hợp lý và độ bám dính tốt. Tuy nhiên, trước các yêu cầu kỹ thuật ngày càng khắt khe về khả năng chống mài mòn, chống va đập và ngăn chặn ăn mòn điện hóa, việc kết hợp các hạt độn nano có cấu trúc lớp như graphene vào hệ chất tạo màng nhằm cải thiện tính chất cơ lý đang là hướng đi thực tiễn. Do graphene nguyên sơ có chi phí chế tạo cao và khó phân tán, graphene oxide khử (rGO) tổng hợp qua con đường hóa học ướt được xem là giải pháp khả thi để định hướng ứng dụng công nghiệp. Đề tài khóa luận "Nghiên cứu chế tạo graphene từ graphite và hướng đến ứng dụng làm phụ gia trong sơn phủ" được thực hiện nhằm khảo sát các điều kiện tổng hợp rGO và thử nghiệm phân tán vào hệ sơn thương mại.

Theo nhiệm vụ nghiên cứu được giao, các mục tiêu và nội dung của đề tài được xác định cụ thể như sau:

  1. Nghiên cứu tổng quan lý thuyết về vật liệu graphite, graphene oxide (GO), graphene oxide khử (rGO), quy trình tổng hợp rGO và các phương pháp đánh giá tính chất vật liệu graphene.
  2. Thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện tổng hợp (tỷ lệ chất oxy hóa và thời gian phản ứng) đến hình thái và cấu trúc của vật liệu graphene oxide khử hình thành.
  3. Sử dụng các phương pháp đo kiểm và phân tích cấu trúc, thành phần nguyên tố của vật liệu bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX).
  4. Khảo sát ứng dụng graphene làm phụ gia trong sơn: phân tán rGO vào hệ sơn nền 2K trắng bóng thương mại theo các tỷ lệ phần trăm khối lượng khác nhau và khảo sát các đặc tính cơ lý của màng sơn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu graphene oxide khử (rGO) được chế tạo từ graphite tự nhiên và màng sơn phủ nano composite trên cơ sở rGO.
  • Phạm vi nghiên cứu: Chế tạo rGO bằng phương pháp oxy hóa hóa học cải tiến kết hợp khử hóa học bằng acid ascorbic (vitamin C); sử dụng rGO làm phụ gia gia cường cho màng sơn phủ hệ alkyd biến tính (sơn 2K trắng bóng của Công ty TNHH Sơn Hoa Việt) phủ trên nền thép đã mài mịn; thời gian thực hiện hoàn thành vào tháng 12 năm 2023 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, phối hợp cùng Phòng thí nghiệm Công nghệ Nano (Trung tâm Nghiên cứu Triển khai - Khu Công nghệ cao TP.HCM) và xưởng sản xuất của Công ty TNHH Sơn Hoa Việt.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng dựa trên cơ sở lý thuyết về cấu trúc mạng tinh thể carbon và các chuyển hóa hóa học từ graphite sang dẫn xuất graphene. Graphite có cấu trúc gồm các lớp carbon xếp chồng lên nhau với khoảng cách giữa các lớp $d = 3{,}35\text{ \AA}$, liên kết cộng hóa trị $\text{C--C}$ trong cùng một lớp có độ dài $a = 1{,}42\text{ \AA}$. Do lực tương tác giữa các lớp là lực Van der Waals yếu, các chất oxy hóa mạnh có thể xen kẽ vào giữa các lớp (phản ứng xen kẽ tạo hợp chất xen kẽ GIC) để mở rộng khoảng cách mạng và đính các nhóm chức chứa oxy (hydroxyl, carboxyl, carbonyl, epoxide) lên bề mặt carbon, tạo thành graphene oxide (GO). Quá trình khử tiếp theo nhằm loại bỏ bớt các nhóm chức này để khôi phục một phần mạng liên kết $sp^2$, tạo ra graphene oxide khử (rGO).

Về cơ chế oxy hóa, tác giả phân tích tiến trình từ phương pháp Brodie (1859, dùng $\text{KClO}_3$ và $\text{HNO}_3$), Staudenmaier (1898, dùng $\text{H}_2\text{SO}_4$, $\text{HNO}_3$ bốc khói và $\text{KClO}_3$), Hummers (1958, dùng $\text{H}_2\text{SO}_4$, $\text{NaNO}_3$, $\text{KMnO}_4$) đến phương pháp Hummers cải tiến (Modified Hummers). Trong phương pháp Hummers cải tiến, $\text{NaNO}_3$ được loại bỏ hoàn toàn nhằm tránh phát sinh các khí độc hại như $\text{NO}_2$ và $\text{N}_2\text{O}_4$, đồng thời giảm thiểu nguy cơ mất kiểm soát nhiệt độ từ tác nhân $\text{Mn}_2\text{O}_7$. Để khử GO, tác giả sử dụng acid ascorbic (vitamin C), một chất khử thân thiện với môi trường, thay thế cho các tác nhân độc hại như hydrazine.

Về hệ màng sơn, nghiên cứu sử dụng hệ nhựa alkyd biến tính bằng nhựa epoxy (epoxy alkyd / epoxy este). Nhựa alkyd được tổng hợp từ phản ứng ngưng tụ giữa polyol, acid polybasic và acid béo mạch dài. Việc biến tính bằng cách mở vòng oxirane của nhựa epoxy (nguồn gốc bisphenol A) giúp khắc phục nhược điểm chậm khô, độ cứng thấp và dễ ố vàng của alkyd thông thường, nâng cao độ bám dính, khả năng kháng kiềm và kháng hóa chất cho màng phủ kim loại.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá chất lượng được triển khai đồng bộ qua các hệ thống thiết bị và tiêu chuẩn kỹ thuật:

  • Phương pháp phân tích vật liệu: Kính hiển vi điện tử quét (SEM) tại Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Khu Công nghệ cao TP.HCM để quan sát hình thái bề mặt, mức độ tách lớp và nếp gấp của màng rGO; phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) để định lượng thành phần nguyên tố carbon (C) và oxy (O), xác định tỷ lệ $\text{C/O}$ nhằm đánh giá hiệu quả khử.
  • Phương pháp chế tạo sơn nano: Sử dụng thiết bị siêu âm dạng thanh Ultrasonic Generator VS20 (tần số $20\text{ kHz}$, công suất $1500\text{ W}$) trong 5 chu kỳ (15 phút siêu âm, 5 phút làm mát) để phân tán rGO vào dung môi; sử dụng máy nghiền khuấy BGD 750/1 với lượng bi nghiền chiếm $30%$ thể tích, tốc độ $4000\text{ -- }5000\text{ vòng/phút}$ để phân tán đồng đều rGO vào base sơn.
  • Phương pháp đánh giá cơ lý màng sơn:
    • Đo độ mịn của paste sơn theo tiêu chuẩn ASTM D1210 bằng thước đo rãnh BGD 241/2.
    • Đo độ bám dính màng sơn khô theo tiêu chuẩn ASTM D3359 (phương pháp cắt ô Cross-cut tape test) bằng dao cắt BGD 502/2.
    • Đo độ bóng màng sơn ở góc $60^\circ$ theo tiêu chuẩn ASTM D523 bằng máy Byk Micro-Gloss $60^\circ$ (Model 4442).
    • Đo độ bền va đập theo tiêu chuẩn ASTM D2794 hoặc ISO 6272-2:2002 bằng thiết bị rơi bi BGD 306.
    • Đo độ bền mài mòn cơ học theo tiêu chuẩn ASTM D4060 bằng máy mài mòn xoay Taber BGD 523 (tải trọng $1000\text{ g}$ mỗi bánh xe, đĩa mài CS-10, tốc độ $60\text{ vòng/phút}$, chu kỳ $200\text{ vòng}$).

Nguồn nguyên liệu, hóa chất sử dụng trong nghiên cứu:

Tên nguyên liệu / hóa chất Nồng độ / Quy cách Xuất xứ
Sulfuric acid ($\text{H}_2\text{SO}_4$) $98%$ Việt Nam
Potassium permanganate ($\text{KMnO}_4$) $> 99{,}5%$ Trung Quốc
Graphite Kích thước $200\text{ mesh}$ Việt Nam
Hydrogen peroxide ($\text{H}_2\text{O}_2$) $30%$ Thái Lan
Potassium hydroxide ($\text{KOH}$) Dung dịch $4\text{ M}$ Đức
L-Ascorbic acid (Vitamin C) $> 99{,}7%$ Trung Quốc
Base sơn 2K trắng bóng Sơn hai thành phần gốc alkyd biến tính Công ty TNHH Sơn Hoa Việt

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan vật liệu

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về vật liệu carbon và công nghệ màng phủ. Tác giả trình bày cấu trúc phân tử, tính chất cơ học (mô đun đàn hồi $1\text{ TPa}$, độ bền uốn $130\text{ GPa}$), tính chất nhiệt (hệ số dẫn nhiệt phòng trên $3000\text{ -- }5000\text{ W}/(\text{m}\cdot\text{K})$), độ linh động điện tử (đạt trên $200,000\text{ cm}^2/(\text{V}\cdot\text{s})$) và độ truyền quang (khoảng $97{,}7%$ cho đơn lớp) của graphene. Tác giả tổng hợp bảng so sánh định lượng giữa graphene nguyên sơ, graphene oxide (GO) và graphene oxide khử (rGO):

Đặc tính kỹ thuật Graphene nguyên sơ Graphene oxide (GO) Graphene oxide khử (rGO)
Phương pháp tổng hợp Lắng đọng hơi hóa học (CVD), bóc tách than chì Oxy hóa hóa học than chì Khử hóa học / nhiệt từ GO
Tỷ lệ C:O Không chứa oxy $2\text{ -- }4$ $8\text{ -- }246$
Mô đun Young ($\text{TPa}$) $1{,}0$ $0{,}2$ $0{,}25$
Độ dẫn điện ($\text{S/m}$) $10^4\text{ -- }50,000$ Chất cách điện $2\text{ -- }7 \times 10^2$
Độ dẫn nhiệt ($\text{W}/(\text{m}\cdot\text{K})$) $3000\text{ -- }5000$ $0{,}1\text{ -- }2$ Thấp hơn graphene nguyên sơ
Chi phí sản xuất Cao Thấp Thấp

Phần tiếp theo của chương phân tích phản ứng hóa học tạo nhựa epoxy-alkyd thông qua phản ứng ngưng tụ polyol, acid polybasic và acid béo với vòng oxirane của bisphenol A. Tác giả cũng tổng thuật các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về màng phủ nanocomposite graphene: nghiên cứu của Samarah V. Harb và cộng sự về GO trong composite PMMA-siloxan-silica; Pourhashem và cộng sự về lớp phủ epoxy biến tính silane/GO; Krishnamoorthy và cộng sự về sơn alkyd chứa GO kháng khuẩn và chống ăn mòn đạt hiệu suất $76%$ trong nước muối; các nghiên cứu trong nước của Viện Dầu khí Việt Nam (composite epoxy/graphene) và Đại học Bách khoa Đà Nẵng (gia cường epoxy bằng ống nano carbon và GO).

Chương 2: Thực nghiệm

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình thực nghiệm gồm hai giai đoạn: tổng hợp rGO và gia công màng sơn phủ. Quy trình chế tạo rGO từ bột graphite $200\text{ mesh}$ được triển khai qua ba bước:

  1. Oxy hóa tạo GO: Graphite được cho từ từ vào dung dịch $\text{H}_2\text{SO}_4$ $98%$, khuấy ở nhiệt độ phòng trong 10 phút và siêu âm 30 phút. Tiếp tục cho từ từ $\text{KMnO}_4$ vào hỗn hợp đặt trong bể đá để kiểm soát tỏa nhiệt. Gia nhiệt từ từ lên $95\text{ -- }100^\circ\text{C}$ và giữ nhiệt trong khoảng thời gian xác định ($2\text{ -- }5\text{ giờ}$). Sau khi làm nguội, bổ sung $\text{H}_2\text{O}_2$ $30%$ để khử lượng $\text{KMnO}_4$ dư, thu được huyền phù GO màu nâu vàng.
  2. Trung hòa và khử hóa học: Huyền phù GO được nhỏ từ từ dung dịch $\text{KOH } 4\text{ M}$ cho đến khi đạt $\text{pH} \approx 7$. Hòa tan bột vitamin C trong nước cất khử ion (DI) rồi đưa vào dung dịch GO, nâng nhiệt độ lên $80^\circ\text{C}$ và giữ trong 1 giờ để khử các nhóm chức chứa oxy.
  3. Lọc và sấy thu hồi: Lọc hút chân không qua phễu lọc và rửa nhiều lần bằng $1000\text{ -- }2000\text{ ml}$ nước DI để loại bỏ ion muối, sau đó sấy khô thu được bột rGO màu đen xám.

Quy trình chế tạo sơn graphene: Bột rGO được phân tán trước vào dung môi của hệ sơn bằng thiết bị siêu âm VS20 ($20\text{ kHz}$, $1500\text{ W}$, 5 chu kỳ: 15 phút phát sóng, 5 phút nghỉ). Hỗn hợp dung môi chứa rGO được đưa vào cối nghiền chứa base sơn 2K trắng bóng của Công ty Sơn Hoa Việt, tiến hành nghiền bi với tỷ lệ bi $30%$ thể tích ở dải tốc độ $4000\text{ -- }5000\text{ vòng/phút}$ cho đến khi độ mịn đạt dưới $10\text{ }\mu\text{m}$. Hỗn hợp được ủ trong 24 giờ nhằm tăng độ thấm ướt. Sau đó, sơn được pha với chất đóng rắn và dung môi đạt độ nhớt $8\text{ -- }12\text{ giây}$ (cốc đo), phun lên các tấm thép đã mài mịn với độ dày màng ướt $150\text{ }\mu\text{m}$. Nghiên cứu khảo sát 4 mẫu với hàm lượng rGO bổ sung lần lượt là: mẫu gốc ($0%$), mẫu $0{,}001%\text{ wt}$ ($5\text{ mg rGO} / 500\text{ g sơn}$), mẫu $0{,}002%\text{ wt}$ ($7{,}5\text{ mg rGO} / 500\text{ g sơn}$) và mẫu $0{,}003%\text{ wt}$ ($10\text{ mg rGO} / 500\text{ g sơn}$).

Chương 3: Kết quả và biện luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm tối ưu hóa điều kiện phản ứng tổng hợp rGO và đánh giá cơ lý của màng sơn:

Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ Graphite : $\text{KMnO}_4$: Phản ứng được thực hiện ở $95\text{ -- }100^\circ\text{C}$ trong 3 giờ với 4 mẫu rGO1, rGO2, rGO3, rGO4. Kết quả phân tích thành phần nguyên tố bằng EDX thể hiện sự thay đổi tỷ lệ oxy hóa và mức độ khử:

Ký hiệu mẫu Tỷ lệ Graphite : $\text{KMnO}_4$ Hàm lượng C ($%$ khối lượng) Hàm lượng O ($%$ khối lượng) Tỷ lệ C/O
Graphite gốc Ban đầu $92{,}30$ $7{,}70$ $11{,}99$
rGO1 $1:3$ $68{,}20$ $31{,}80$ $2{,}14$
rGO2 $1:4$ $72{,}10$ $27{,}90$ $2{,}58$
rGO3 $1:5$ $78{,}40$ $21{,}60$ $3{,}63$
rGO4 $1:6$ $75{,}80$ $24{,}20$ $3{,}13$

Ảnh SEM cho thấy ở tỷ lệ $1:3$ và $1:4$, các phiến graphite chưa được tách mở triệt để, vẫn còn tồn tại các mảng dày. Tại tỷ lệ $1:5$ (mẫu rGO3), các màng rGO phân tách thành các phiến mỏng riêng biệt, bề mặt phẳng, trong suốt dưới chùm điện tử và kích thước đồng đều. Khi tăng tỷ lệ lên $1:6$ (mẫu rGO4), hiện tượng oxy hóa quá mức làm xuất hiện nhiều nếp gấp cạnh và màng bị phân mảnh vụn, cản trở phản ứng khử và làm giảm tỷ lệ $\text{C/O}$ xuống $3{,}13$. Do đó, tỷ lệ $1:5$ được xác định là giá trị tối ưu.

Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng: Cố định tỷ lệ Graphite : $\text{KMnO}_4$ ở mức $1:5$ và nhiệt độ $95\text{ -- }100^\circ\text{C}$, nhóm tác giả khảo sát thời gian phản ứng từ 2 đến 5 giờ:

Ký hiệu mẫu Thời gian phản ứng Hàm lượng C ($%$ khối lượng) Hàm lượng O ($%$ khối lượng) Tỷ lệ C/O
rGO5 $2\text{ giờ}$ $62{,}50$ $37{,}50$ $1{,}67$
rGO6 $3\text{ giờ}$ $78{,}40$ $21{,}60$ $3{,}63$
rGO7 $4\text{ giờ}$ $83{,}60$ $16{,}40$ $5{,}10$
rGO8 $5\text{ giờ}$ $81{,}20$ $18{,}80$ $4{,}32$

Ảnh SEM và phổ EDX chỉ ra rằng mẫu rGO5 ($2\text{ giờ}$) chưa đủ thời gian để chất oxy hóa xen kẽ hoàn toàn vào khối than chì. Mẫu rGO7 ($4\text{ giờ}$) cho màng phân tách rời rạc, ít khuyết tật và tỷ lệ $\text{C/O}$ đạt mức cao nhất là $5{,}10$ (hàm lượng oxy giảm còn $16{,}40%$). Kéo dài thời gian phản ứng lên $5\text{ giờ}$ (mẫu rGO8) khiến quá trình oxy hóa phá hủy mạnh khung carbon, làm tăng tỷ lệ khuyết tật và nếp nhăn, dẫn đến tỷ lệ $\text{C/O}$ giảm về $4{,}32$. Mẫu rGO7 được lựa chọn để ứng dụng chế tạo sơn.

Kết quả đánh giá cấu trúc hình thái và tính chất cơ lý của màng sơn:

  • Hình thái màng sơn qua SEM: Ở mẫu sơn gốc không có rGO, các hạt bột màu và bột độn phân tán có khoảng hở và xuất hiện nhiều vi lỗ xốp. Khi bổ sung $0{,}001%\text{ wt}$ rGO, mật độ lỗ xốp giảm dần. Tại tỷ lệ $0{,}002%\text{ wt}$, các phiến nano rGO phân tán đồng đều, lấp đầy các khoảng trống cấu trúc, tạo liên kết chặt chẽ giữa nhựa nền và các cấu tử độn, giúp bề mặt màng sơn phẳng mịn hơn.
  • Tính chất cơ học màng sơn: Bột rGO sau quá trình nghiền bi đạt độ mịn $\le 10\text{ }\mu\text{m}$ theo thước gạt ASTM D1210. Thử nghiệm độ bám dính theo ASTM D3359 đạt tiêu chuẩn màng sơn bám dính chắc trên nền kim loại. Các thử nghiệm về độ bóng ($60^\circ$), độ bền va đập và độ mài mòn Taber (ASTM D4060) chứng minh sự hiện diện của rGO giúp cải thiện khả năng chịu lực cơ học và giảm hao hụt khối lượng do ma sát so với mẫu sơn gốc không chứa phụ gia.

Chương 4: Kết luận và kiến nghị

Chương 4 đúc kết các kết quả đạt được: xây dựng thành công quy trình tổng hợp rGO từ than chì $200\text{ mesh}$ bằng phương pháp Hummers cải tiến kết hợp khử hóa học bằng vitamin C; xác lập thông số công nghệ tối ưu gồm tỷ lệ Graphite : $\text{KMnO}_4 = 1:5$, nhiệt độ $95\text{ -- }100^\circ\text{C}$ và thời gian phản ứng $4\text{ giờ}$ (thu được mẫu rGO7 có tỷ lệ $\text{C/O} = 5{,}10$). Đồng thời, hoàn thiện quy trình phân tán rGO vào hệ sơn 2K trắng bóng thương mại bằng kỹ thuật siêu âm và nghiền bi, chứng minh hàm lượng $0{,}002%\text{ wt}$ mang lại sự cải thiện rõ rệt về cấu trúc vi mô và tính chất cơ học màng sơn. Nhóm tác giả đề xuất các kiến nghị nghiên cứu tiếp theo: bổ sung các phép đo phân tích như XRD, Raman, AFM để đánh giá số lớp và mức độ khuyết tật mạng tinh thể; khảo sát thêm các tính chất bảo vệ chuyên sâu như khả năng chống ăn mòn mù muối, kháng hóa chất và độ bền thời tiết.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đạt được các kết quả cụ thể với dữ liệu định lượng được xác lập trong khóa luận:

  • Thông số tối ưu hóa tổng hợp rGO: Xác định được cặp điều kiện công nghệ tối ưu gồm tỷ lệ phối trộn Graphite : $\text{KMnO}_4$ là $1:5$ và thời gian phản ứng $4\text{ giờ}$ ở dải nhiệt độ $95\text{ -- }100^\circ\text{C}$. Mẫu rGO7 đạt tỷ lệ nguyên tố $\text{C/O} = 5{,}10$ (với $83{,}60%\text{ C}$ và $16{,}40%\text{ O}$ về khối lượng), cao hơn đáng kể so với mẫu phản ứng 2 giờ ($\text{C/O} = 1{,}67$) hoặc mẫu dùng tỷ lệ chất oxy hóa $1:3$ ($\text{C/O} = 2{,}14$).
  • Quy trình chế tạo sơn phủ nano: Thiết lập được thông số kỹ thuật phân tán graphene bằng thiết bị siêu âm công suất $1500\text{ W}$ ($20\text{ kHz}$, 5 chu kỳ) kết hợp nghiền bi với tỷ lệ bi $30%$ thể tích ở tốc độ $4000\text{ -- }5000\text{ vòng/phút}$, đưa độ mịn paste sơn đạt mức $10\text{ }\mu\text{m}$.
  • Hiệu quả cải thiện màng sơn: Xác định hàm lượng rGO tối ưu ở mức $0{,}002%\text{ wt}$ trong hệ sơn 2K trắng bóng. Tại nồng độ này, các phiến rGO phân tán đều trong nền nhựa alkyd biến tính, điền đầy các vi lỗ xốp của màng sơn và nâng cao khả năng chịu mài mòn cơ học theo tiêu chuẩn ASTM D4060.
  • Đóng góp kỹ thuật: Nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi của quy trình tổng hợp xanh sử dụng acid ascorbic (vitamin C) thay thế hydrazine trong phản ứng khử GO, loại bỏ $\text{NaNO}_3$ để không sinh khí độc hại $\text{NO}_x$. Khóa luận đã chuyển giao và thử nghiệm thành công vật liệu phụ gia nano này trực tiếp trên nền sơn công nghiệp thương mại sẵn có của doanh nghiệp (Công ty TNHH Sơn Hoa Việt).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận tự chỉ ra một số hạn chế do điều kiện cơ sở vật chất và thời gian thực hiện:

  • Các phép phân tích cấu trúc vật liệu mới chỉ dừng lại ở kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX), chưa thực hiện được các phép đo chuyên sâu như nhiễu xạ tia X (XRD), phổ tán xạ Raman hoặc kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) để xác định chính xác số lượng lớp graphene, khoảng cách cách tử và định lượng mật độ khuyết tật mạng carbon.
  • Màng sơn phủ mới chỉ được khảo sát các chỉ tiêu cơ lý bề mặt (độ mịn, độ bám dính, độ bóng, độ bền va đập, độ mài mòn cơ học); chưa tiến hành các thử nghiệm quan trọng về độ bền chống ăn mòn dài hạn như phun mù muối trung tính (salt spray test), đo tổng trở điện hóa (EIS) hay độ bền thời tiết nhân tạo (gia lão UV).

Hướng nghiên cứu tiếp theo được đề xuất:

  • Mở rộng khảo sát các thông số công nghệ khác của phản ứng tổng hợp nhằm tối ưu hóa hơn nữa hiệu suất thu hồi và chất lượng rGO.
  • Đánh giá toàn diện các chỉ tiêu kháng hóa chất, chống ăn mòn điện hóa và độ bền nhiệt của hệ sơn bổ sung rGO trên các loại vật liệu nền kim loại khác nhau.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo chuyên môn cho sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Công nghệ Vật liệu, Kỹ thuật Hóa học và Vật liệu Nano. Nội dung bản báo cáo cung cấp tài liệu thực nghiệm chi tiết về:

  • Quy trình tổng hợp hóa học ướt điều chế rGO thân thiện với môi trường, sử dụng tiền chất graphite kích thước $200\text{ mesh}$ và chất khử vitamin C.
  • Kỹ thuật công nghệ phân tán phụ gia nano vào môi trường nhựa có độ nhớt cao thông qua sự kết hợp giữa siêu âm năng lượng cao và máy nghiền bi hành tinh.
  • Phương pháp luận đo kiểm và đối chiếu chất lượng màng phủ theo các bộ tiêu chuẩn quốc tế thông dụng trong ngành công nghiệp sơn (ASTM D1210, ASTM D3359, ASTM D523, ASTM D2794, ASTM D4060).

Câu hỏi thường gặp

Khóa luận sử dụng tác nhân nào để khử graphene oxide (GO) thành graphene oxide khử (rGO)?
Tác giả sử dụng acid ascorbic (vitamin C) với độ tinh khiết $> 99{,}7%$. Quá trình khử được thực hiện sau khi huyền phù GO được trung hòa bằng dung dịch $\text{KOH } 4\text{ M}$ về mức $\text{pH} \approx 7$, sau đó bổ sung vitamin C và gia nhiệt giữ ở $80^\circ\text{C}$ trong 1 giờ.

Điều kiện tổng hợp nào cho kết quả chế tạo rGO tối ưu nhất trong nghiên cứu?
Điều kiện tối ưu được xác lập là mẫu rGO7 với tỷ lệ khối lượng Graphite : $\text{KMnO}_4$ là $1:5$, thời gian phản ứng duy trì trong 4 giờ ở nhiệt độ $95\text{ -- }100^\circ\text{C}$. Mẫu này cho tỷ lệ $\text{C/O}$ cao nhất là $5{,}10$ (tương ứng với $83{,}60%\text{ C}$ và $16{,}40%\text{ O}$ về khối lượng), màng rGO mỏng, trong suốt và phân tách rời rạc.

Hệ sơn nền và các nồng độ phụ gia rGO được thử nghiệm trong màng phủ là bao nhiêu?
Nghiên cứu sử dụng hệ sơn 2K trắng bóng (gốc alkyd biến tính epoxy) của Công ty TNHH Sơn Hoa Việt. Bốn mẫu sơn được thử nghiệm bao gồm: mẫu sơn gốc ($0%\text{ rGO}$), mẫu $0{,}001%\text{ wt}$ ($5\text{ mg rGO} / 500\text{ g sơn}$), mẫu $0{,}002%\text{ wt}$ ($7{,}5\text{ mg rGO} / 500\text{ g sơn}$) và mẫu $0{,}003%\text{ wt}$ ($10\text{ mg rGO} / 500\text{ g sơn}$). Mẫu $0{,}002%\text{ wt}$ cho sự phân tán tối ưu nhất.

Các thông số kỹ thuật nào được áp dụng trong quá trình nghiền và phân tán rGO vào sơn?
rGO được phân tán trước trong dung môi bằng thiết bị siêu âm Ultrasonic Generator VS20 ($20\text{ kHz}$, $1500\text{ W}$) qua 5 chu kỳ (15 phút siêu âm, 5 phút nghỉ). Sau đó, hỗn hợp được trộn vào base sơn và nghiền bi bằng máy BGD 750/1 với lượng bi chiếm $30%$ thể tích cối, tốc độ nghiền $4000\text{ -- }5000\text{ vòng/phút}$ cho đến khi màng sơn đạt độ mịn $\le 10\text{ }\mu\text{m}$.

Những tiêu chuẩn quốc tế nào được sử dụng để kiểm tra cơ lý màng sơn trong khóa luận?
Nghiên cứu áp dụng hệ thống tiêu chuẩn quốc tế gồm: ASTM D1210 (đo độ mịn bằng thước rãnh), ASTM D3359 B (đo độ bám dính bằng dao cắt lưới ô vuông), ASTM D523 (đo độ bóng quang học ở góc $60^\circ$), ASTM D2794 / ISO 6272-2:2002 (đo độ bền va đập bằng đầu rơi) và ASTM D4060 (đo độ mài mòn cơ học bằng máy Taber).

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Trần Trung Kiên và Đinh Ngọc Toản đã hoàn thành việc nghiên cứu chế tạo vật liệu graphene oxide khử (rGO) từ graphite tự nhiên bằng phương pháp hóa học cải tiến thân thiện với môi trường. Đề tài đã tối ưu hóa thành công các thông số phản ứng oxy hóa và khử, xác lập điều kiện tỷ lệ Graphite : $\text{KMnO}_4 = 1:5$ trong 4 giờ phản ứng ở nhiệt độ $95\text{ -- }100^\circ\text{C}$ để thu được rGO có tỷ lệ $\text{C/O}$ đạt $5{,}10$. Đồng thời, công trình đã xây dựng quy trình phân tán rGO vào hệ sơn phủ công nghiệp 2K trắng bóng thương mại, chứng minh nồng độ phụ gia $0{,}002%\text{ wt}$ giúp làm mịn cấu trúc vi mô và cải thiện tính chất cơ lý của màng sơn.