Luận án nghiên cứu chế tạo đặc trưng cấu trúc tính chất của màng phủ đa chức năng trên cơ sở nhựa acrylic nhũ tương và các phụ gia nano

Luận án nghiên cứu chế tạo màng phủ đa chức năng từ nhựa acrylic nhũ tương và phụ gia nano, phân tích cấu trúc và tính chất ứng dụng.

• Tác giả: Đào Phi Hùng
• Người hướng dẫn: GS. Thái Hoàng
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Hóa hữu cơ
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo, đặc trưng cấu trúc, tính chất của màng phủ đa chức năng trên cơ sở nhựa acrylic nhũ tương và các phụ gia nano
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Tình hình nghiên cứu và phát triển nhựa acrylic nhũ tương
• 1.2. Nguyên tắc phương pháp tổng hợp nhựa acrylic nhũ tương
• 1.3. Một số phương pháp biến tính nhựa acrylic nhũ tương
• 1.4. Biến tính hữu cơ MONPs bằng tác nhân ghép
• 1.5. Cơ chế biến tính bằng tác nhân ghép silane/titanate
• 1.6. Ứng dụng của MONPs biến tính hữu cơ trong màng sơn
• 1.7. Tình hình nghiên cứu sơn chống nóng, phản xạ nhiệt mặt trời
• 1.8. Hiệu quả của sơn chống nóng, phản xạ nhiệt mặt trời
• 1.9. Nâng cao khả năng phản xạ, chống nóng của màng sơn
• 1.10. Tình hình nghiên cứu màng phủ hữu cơ kháng khuẩn
• 1.11. Màng phủ chứa tác nhân kháng khuẩn hoạt động theo cơ chế oxy hóa quang
• 1.12. Màng phủ hữu cơ chứa chất diệt khuẩn hữu cơ
• 1.13. Màng sơn kháng khuẩn chứa nano Ag
• 1.14. Nguyên vật liệu, hóa chất. Biến tính hữu cơ các hạt nano
• 1.15. Chế tạo màng sơn acrylic nanocomposite
• 1.16. Chế tạo màng sơn phản xạ nhiệt mặt trời
• 1.17. Phương pháp phân tích thử nghiệm
• 1.18. Xác định các đặc trưng, tính chất của hạt nano biến tính hữu cơ
• 1.19. Xác định đặc trưng, tính chất của màng sơn
• 2. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 2.1. Nghiên cứu biến tính hữu cơ các hạt nano R-TiO2 và ZrO2
• 2.2. Đặc trưng, tính chất của các hạt nano R-TiO2 biến tính hữu cơ
• 2.3. Đặc trưng, tính chất của hạt nano ZrO2 biến tính hữu cơ
• 2.4. Đặc trưng, tính chất của màng sơn acylic nhũ tương chứa các hạt nano R-TiO2 và ZrO2
• 2.5. Ảnh hưởng hạt nano R-TiO2 biến tính hữu cơ đến tính chất màng sơn
• 2.6. Ảnh hưởng của hạt nano ZrO2 biến tính hữu cơ đến tính chất của màng sơn acrylic
• 2.7. Ảnh hưởng của các hạt nano mZr3G và mTi3T đến tính chất của màng sơn acrylic
• 2.8. Nghiên cứu nâng cao tính chất màng sơn phản xạ nhiệt mặt trời
• 2.9. Ảnh hưởng hạt nano biến tính hữu cơ đến khả năng phản xạ của màng sơn phản xạ nhiệt mặt trời
• 2.10. Hiệu năng chống nóng của màng sơn phản xạ nhiệt mặt trời
• 2.11. Khả năng thấm nước của màng sơn phản xạ nhiệt mặt trời
• 2.12. Hình thái cấu trúc của màng sơn phản xạ nhiệt mặt trời
• 2.13. Nghiên cứu nâng cao khả năng kháng vi sinh vật của màng sơn
• 2.14. Nghiên cứu màng sơn acrylic kháng vi sinh vật chứa phụ gia Ag- Zn/zeolite
• 2.15. Nghiên cứu màng sơn kháng vi sinh vật trên cơ sở OIT
• 2.16. Ảnh hưởng của phụ gia kháng vi sinh vật tới tính chất của màng sơn phản xạ nhiệt
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về màng phủ đa chức năng

Nghiên cứu tập trung vào chế tạo màng phủ đa chức năng từ nhựa acrylic nhũ tương và phụ gia nano. Mục tiêu là tạo ra các màng phủ có khả năng bảo vệ, chống nóng, và kháng khuẩn. Nhựa acrylic được chọn làm vật liệu chính nhờ tính chất bền vững và dễ biến tính. Phụ gia nano như TiO2 và ZrO2 được sử dụng để cải thiện tính năng của màng phủ. Nghiên cứu này đóng góp vào việc phát triển các vật liệu polymer thông minh, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp.

1.1. Tổng quan về nhựa acrylic nhũ tương

Nhựa acrylic nhũ tương là vật liệu polymer phổ biến nhờ tính chất cơ lý tốt và khả năng tương thích với các phụ gia. Nghiên cứu này sử dụng nhựa acrylic làm nền để tạo ra màng phủ đa chức năng. Các monomer của nhựa acrylic được biến tính để cải thiện độ bền và khả năng chịu nhiệt. Quá trình tổng hợp nhựa acrylic nhũ tương được thực hiện thông qua phương pháp nhũ tương hóa, đảm bảo độ đồng nhất và ổn định của vật liệu.

1.2. Vai trò của phụ gia nano

Phụ gia nano như TiO2 và ZrO2 được sử dụng để nâng cao tính năng của màng phủ. Các hạt nano này được biến tính hữu cơ để tăng khả năng phân tán trong nhựa acrylic. Công nghệ nano giúp cải thiện tính chất quang học, cơ học, và khả năng kháng khuẩn của màng phủ. Nghiên cứu cũng khảo sát ảnh hưởng của các hạt nano đến độ bền và hiệu suất của màng phủ trong điều kiện thực tế.

II. Phương pháp chế tạo màng phủ

Quy trình chế tạo màng phủ bao gồm các bước biến tính hạt nano, phối trộn với nhựa acrylic, và tạo màng. Phương pháp biến tính hữu cơ được áp dụng để cải thiện khả năng tương tác giữa hạt nano và nhựa acrylic. Các hạt nano R-TiO2 và ZrO2 được biến tính bằng tác nhân silane và titanate. Quá trình tạo màng được thực hiện thông qua phương pháp phủ lớp, đảm bảo độ đồng đều và độ dày của màng phủ.

2.1. Biến tính hạt nano

Các hạt nano R-TiO2 và ZrO2 được biến tính bằng tác nhân silane và titanate để tăng khả năng phân tán trong nhựa acrylic. Phương pháp biến tính hữu cơ giúp cải thiện tính chất bề mặt của hạt nano, tăng cường liên kết với nhựa acrylic. Quá trình biến tính được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo hiệu quả và độ ổn định của hạt nano trong màng phủ.

2.2. Phối trộn và tạo màng

Nhựa acrylic và hạt nano biến tính được phối trộn theo tỷ lệ xác định. Hỗn hợp được khuấy trộn đều để đảm bảo độ đồng nhất. Quá trình tạo màng được thực hiện bằng phương pháp phủ lớp, sử dụng thiết bị phủ chuyên dụng. Màng phủ được sấy khô và xử lý nhiệt để đạt được độ bền và tính chất mong muốn.

III. Tính chất và ứng dụng của màng phủ

Màng phủ đa chức năng được đánh giá về tính chất cơ lý, quang học, và khả năng kháng khuẩn. Tính năng màng phủ bao gồm khả năng phản xạ nhiệt, chống nóng, và bảo vệ bề mặt. Nghiên cứu cũng khảo sát ảnh hưởng của các hạt nano đến độ bền và hiệu suất của màng phủ trong điều kiện thực tế. Ứng dụng màng phủ bao gồm sử dụng trong các công trình xây dựng, thiết bị công nghiệp, và vật liệu bảo vệ.

3.1. Tính chất cơ lý và quang học

Màng phủ được đánh giá về độ bền cơ học, độ cứng, và khả năng chịu nhiệt. Tính chất quang học như độ phản xạ và hấp thụ ánh sáng được đo lường để đánh giá hiệu quả chống nóng. Kết quả cho thấy màng phủ chứa hạt nano biến tính có độ bền và hiệu suất cao hơn so với màng phủ thông thường.

3.2. Khả năng kháng khuẩn

Màng phủ được thử nghiệm khả năng kháng khuẩn với các chủng vi khuẩn phổ biến. Phụ gia nano như Ag-Zn/zeolite được sử dụng để tăng cường khả năng kháng khuẩn. Kết quả cho thấy màng phủ chứa phụ gia nano có hiệu quả kháng khuẩn cao, phù hợp cho các ứng dụng y tế và công nghiệp thực phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU. Tình hình nghiên cứu và phát triển nhựa acrylic nhũ tương. Nguyên tắc phương pháp tổng hợp nhựa acrylic nhũ tương. Một số phương pháp biến tính nhựa acrylic nhũ tương.

Biến tính hữu cơ MONPs bằng tác nhân ghép. Cơ chế biến tính bằng tác nhân ghép silane/titanate. Ứng dụng của MONPs biến tính hữu cơ trong màng sơn. Tình hình nghiên cứu sơn chống nóng, phản xạ nhiệt mặt trời.

Hiệu quả của sơn chống nóng, phản xạ nhiệt mặt trời. Nâng cao khả năng phản xạ, chống nóng của màng sơn. Tình hình nghiên cứu màng phủ hữu cơ kháng khuẩn. Màng phủ chứa tác nhân kháng khuẩn hoạt động theo cơ chế oxy hóa quang.

Màng phủ hữu cơ chứa chất diệt khuẩn hữu cơ. Màng sơn kháng khuẩn chứa nano Ag. Nguyên vật liệu, hóa chất. Biến tính hữu cơ các hạt nano.

Chế tạo màng sơn acrylic nanocomposite. Chế tạo màng sơn phản xạ nhiệt mặt trời. Phương pháp phân tích thử nghiệm. Xác định các đặc trưng, tính chất của hạt nano biến tính hữu cơ.

Xác định đặc trưng, tính chất của màng sơn. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. Nghiên cứu biến tính hữu cơ các hạt nano R-TiO2 và ZrO2. Đặc trưng, tính chất của các hạt nano R-TiO2 biến tính hữu cơ.

Đặc trưng, tính chất của hạt nano ZrO2 biến tính hữu cơ. Đặc trưng, tính chất của màng sơn acylic nhũ tương chứa các hạt nano R-TiO2 và ZrO2. Ảnh hưởng hạt nano R-TiO2 biến tính hữu cơ đến tính chất màng sơn. Ảnh hưởng của hạt nano ZrO2 biến tính hữu cơ đến tính chất của màng sơn acrylic.

Ảnh hưởng của các hạt nano mZr3G và mTi3T đến tính chất của màng sơn acrylic. Nghiên cứu nâng cao tính chất màng sơn phản xạ nhiệt mặt trời. Ảnh hưởng hạt nano biến tính hữu cơ đến khả năng phản xạ của màng sơn phản xạ nhiệt mặt trời. Hiệu năng chống nóng của màng sơn phản xạ nhiệt mặt trời.

Khả năng thấm nước của màng sơn phản xạ nhiệt mặt trời. Hình thái cấu trúc của màng sơn phản xạ nhiệt mặt trời. Nghiên cứu nâng cao khả năng kháng vi sinh vật của màng sơn. Nghiên cứu màng sơn acrylic kháng vi sinh vật chứa phụ gia Ag- Zn/zeolite.

Nghiên cứu màng sơn kháng vi sinh vật trên cơ sở OIT. Ảnh hưởng của phụ gia kháng vi sinh vật tới tính chất của màng sơn phản xạ nhiệt. 106 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ. 107 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

109 i DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT % kl Phần trăm khối lượng A0 Màng phủ acrylic không chứa phụ gia A0.5mT Màng sơn acrylic chứa 0,5 %kl nano R-TiO2 biến tính hữu cơ A0.5mZ Màng sơn acrylic chứa 0,5 %kl nano ZrO2biến tính hữu cơ A15TZ Màng sơn acrylic chứa 1,5 %kl nano R-TiO2 biến tính hữu cơ và 0,5 %kl nano ZrO2 biến tính hữu cơ A1mT Màng sơn acrylic chứa 1 %kl nano R-TiO2 biến tính hữu cơ A1mZ Màng sơn acrylic chứa 1 %kl nano ZrO2biến tính hữu cơ A1TZ Màng sơn acrylic chứa 1 %kl nano R-TiO2 biến tính hữu cơ và 1 %kl nano ZrO2 biến tính hữu cơ A2mT Màng sơn acrylic chứa 2 %kl nano R-TiO2 biến tính hữu cơ A2mZ Màng sơn acrylic chứa 2 %kl nano ZrO2 biến tính hữu cơ A3mZ Màng sơn acrylic chứa 3 %kl nano ZrO2 biến tính hữu cơ A4mT Màng sơn acrylic chứa 4 %kl nano R-TiO2 biến tính hữu cơ A5mZ Màng sơn acrylic chứa 5 %kl nano ZrO2 biến tính hữu cơ AmT0.5Ze Màng sơn acrylic chứa 2 %kl nano R-TiO2 biến tính hữu cơ và 0,5 %kl Ag-Zn/zeolite AmT1Ze Màng sơn acrylic chứa 2 %kl nano R-TiO2 biến tính hữu cơ và 1 %kl Ag-Zn/zeolite AmT2Ze Màng sơn acrylic chứa 2 %kl nano R-TiO2 biến tính hữu cơ và 2 %kl Ag-Zn/zeolite AT15Z Màng sơn acrylic chứa 0,5 %kl nano R-TiO2 biến tính hữu cơ và 1,5 %kl nano ZrO2 biến tính hữu cơ AuT Màng sơn acrylic chứa 2 %kl nano R-TiO2 chưa biến tính AuZ Màng sơn acrylic chứa 2 %kl nano ZrO2 chưa biến tính AZe Màng sơn acrylic chứa 1 %kl Ag-Zn/zeolite dTG Vi phân phân tích nhiệt – khối lượng ii FESEM Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FTIR Hồng ngoại biến đổi chuỗi Fourier GPTES (3-glycidyloxypropyl)triethoxysilane KR-12 Isopropyl tri(dioctylpyrophosphate)titanate mGZ Hỗn hợp (3-glycidyloxypropyl)triethoxysilane (đã thủy phân) với hạt nano ZrO2 MONPs Hạt nano oxide kim loại (Metal oxide nanoparticles) mTi Hạt nano R-TiO2 biến tính hữu cơ mTi10T Nano R-TiO2 biến tính với 10 %kl [3-(methacryloyloxy)propyl]- -trimethoxysilane mTi1T Nano R-TiO2 biến tính với 1 %kl [3-(methacryloyloxy)propyl]- -trimethoxysilane mTi20T Nano R-TiO2 biến tính với 20 %kl [3-(methacryloyloxy)propyl]- -trimethoxysilane mTi3K Nano R-TiO2 biến tính với 3 %kl Isopropyl tri(dioctylpyro- -phosphate)titanate mTi3T Nano R-TiO2 biến tính với 3 %kl [3-(methacryloyloxy)propyl]- -trimethoxysilane mTi5T Nano R-TiO2 biến tính với 5 %kl [3-(methacryloyloxy)propyl]- -trimethoxysilane mZr Hạt nano ZrO2 biến tính hữu cơ mZr10G Nano ZrO2 biến tính với 10 %kl (3-glycidyloxypropyl)triethoxy- -silane mZr1G Nano ZrO2 biến tính với 1 %kl (3-glycidyloxypropyl)triethoxy- -silane mZr20G Nano ZrO2 biến tính với 20 %kl (3-glycidyloxypropyl)triethoxy- -silane mZr3G Nano ZrO2 biến tính với 3 %kl (3-glycidyloxypropyl)triethoxy- -silane iii mZr3K Nano ZrO2 biến tính với 3 %kl Isopropyl tri(dioctylpyrophosphate)- -titanate mZr3T Nano ZrO2 biến tính với 3 %kl [3-(methacryloyloxy)propyl]- -trimethoxysilane mZr5G Nano ZrO2 biến tính với 5 %kl (3-glycidyloxypropyl)triethoxy- -silane OIT 2-n-octyl-4-izothiazolin-3-one R-TiO2 Rutile TiO2 SRP Sơn phản xạ nhiệt mặt trời SRP0.5 Sơn phản xạ nhiệt mặt trời chứa 0,5% hỗn hợp hạt nano (R-TiO2 biến tính hữu cơ + ZrO2 biến tính hữu cơ) thay thế micro R-TiO2 SRP1 Sơn phản xạ nhiệt mặt trời chứa 1% hỗn hợp hạt nano (R-TiO2 biến tính hữu cơ + ZrO2 biến tính hữu cơ) thay thế micro R-TiO2 SRP2 Sơn phản xạ nhiệt mặt trời chứa 2 % hỗn hợp hạt nano (R-TiO2 biến tính hữu cơ + ZrO2 biến tính hữu cơ) thay thế micro R-TiO2 SRPK Sơn phản xạ nhiệt mặt trời chứa 1% hỗn hợp hạt nano (R-TiO2 biến tính hữu cơ + ZrO2 biến tính hữu cơ) thay thế micro R-TiO2 và hệ kháng vi sinh vật (1 %kl Ag-Zn/zeolite + 0,1 OIT) TGA Phân tích nhiệt - khối lượng TMSPM [3-(methacryloyloxy)propyl]trimethoxysilane USD Đô la Mỹ u-Ti Hạt nano R-TiO2 chưa biến tính hữu cơ UV Tia cực tím/tia tử ngoại UV-Vis-NIR Tử ngoại – khả kiến – hồng ngoại gần u-Zr Hạt nano ZrO2 chưa biến tính hữu cơ VAST Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam VOC Các chất hữu cơ dễ bay hơi XRD Nhiễu xạ tia X iv DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1. Cấu trúc của nhựa acrylic nhũ tương và các monomer của nó. Phản ứng biến tính nhựa acrylic bằng 3,3′,5,5′-tetramethyl-4,4′-biphenyl diglycidyl ether (R là mạch carbon chất biến tính, R” là mạch nhựa acrylic nhũ tương). Quá trình thủy phân của tác nhân ghép silane trong các môi trường khác nhau.

Biến tính MONPs bằng tác nhân ghép silane theo cơ chế thủy phân. Quá trình silane hóa MONPs bằng cơ chế ngưng tụ. Sự giảm nhiệt độ bề mặt tối đa và trung bình cho các bề mặt bên ngoài vào mùa hè (a), mùa đông (b) và cho các bề mặt bên trong vào mùa hè (c) và mùa đông (d) của các bức tường ở các hướng khác nhau. Nhu cầu tiêu thụ điện làm mát cao nhất/thấp nhất (đơn vị kWh/m2) đối với các tòa nhà văn phòng thấp tầng theo mô hình nhà đơn lẻ (building scale) và mô hình dân cư (urban scale) ở các thành phố khác nhau của Úc trong tháng 1 và tháng 2 (giai đoạn 2016-2017).

Sự thay đổi nhiệt độ bề mặt ngoài các tấm bê tông không sơn và có sơn hệ sơn SHR khi thử nghiệm ngoài trời. Cấu tạo và chức năng của lớp sơn phản xạ nhiệt. Nhiệt độ bề mặt của các tấm bê tông được phủ các lớp sơn khác nhau và cơ chế làm việc của lớp sơn. Ion Ag+ liên kết với các base của DNA.

Thử nghiệm kháng khuẩn của màng sơn acrylic chứa các hàm lượng nano Ag khác nhau với vi khuẩn E. Ảnh hưởng của lớp sơn nanocompozit đến tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn E. coli trong môi trường nuôi cấy. Vùng vô khuẩn của vật liệu Ag-Zn/zeolite (a) và Ag-zeolite (b) đối với vi khuẩn S.

Độ nhám bề mặt và độ cứng bề mặt của nhựa acrylic chứa Ag-Zn/zeolite ở các hàm lượng khác nhau (Đường kẻ ngang là chỉ sự khác biệt theo thống kê – ρ < 0,05). Quy trình biến tính hữu cơ hạt nano R-TiO2 và ZrO2. Quy trình chế tạo màng sơn nanocomposite. Thiết kế và hình ảnh buồng thử nghiệm tính năng làm mát.

Biến đổi nhiệt độ bề mặt (a) và nhiệt độ không khí bên trong (b) của buồng thử nghiệm dưới tác động của ánh sáng mặt trời. Phổ hồng ngoại của hạt nano R-TiO2 ban đầu (u-Ti) và được biến tính hữu cơ với KR12 (mTi3K) và TMSPM (mTi3T). Giản đồ TGA và giản đồ vi phân TGA (dTG) của các hạt nano R-TiO2 ban đầu (u-Ti) và được biến tính hữu cơ với KR12 (mTi3K) và TMSPM (mTi3T). Sơ đồ minh họa cơ chế biến tính các hạt nano R-TiO2 với KR- 12/TMSPM.

Ảnh FESEM và phân bố kích thước hạt tương ứng của các hạt nano R- TiO2 trước khi biến tính (u-Ti), sau khi biến tính với 3%kl TMSPM (mTi3T) và 3 %kl KR12 (mTi3K). Giản đồ phân bố kích thước hạt của các hạt nano R-TiO2 chưa biến tinh (u-Ti) và sau khi biến sau khi biến tính với TMSPM (mTi3T), KR12 (mTi3K). Phổ phản xạ của các hạt nano R-TiO2 trước (u-Ti) và sau khi biến tính hữu cơ với TMSPM (mTi3T). Giản đồ XRD của nano R-TiO2 chưa biến tính (u-Ti) và sau biến tính với 3%kl TMSPM (mTi3T).

Phổ FTIR của hạt nano ZrO2 ban đầu (u-Zr) và được biến tính hữu cơ với KR12 (mZr3K), TMSPM (mZr3T), GPTES (mZr3G). Giản đồ TGA và giản đồ dTG của các hạt nano ZrO2 chưa biến tính (u- Zr), sau khi biến tính với KR12 (mZr3K), TMSPM (mZr3T), GPTES (mZr3G) và hỗn hợp GPTES (đã thủy phân) với các hạt nano ZrO2 (mGZ). Ảnh FESEM và phân bố kích thước hạt tương ứng của hạt nano ZrO2 trước khi biến tính (u-Zr), sau khi biến tính với TMSPM (mZr3T), KR12 (mZr3K), GPTES (mZr3G). Giản đồ phân bố kích thước hạt của các hạt nano ZrO2 ban đầu (u-Zr) và sau khi biến sau khi biến tính với TMSPM (mZr3T), KR12 (mZr3K), GPTES (mZr3G).

Phổ phản xạ khuếch tán của các hạt nano ZrO2 trước (u-Zr) và sau khi biến tính hữu cơ với GPTES (mZr3G). Giản đồ XRD của các nano ZrO2 chưa biến tính (u-Zr) và sau biến tính với 3%kl GPTES (mZr3G). Ảnh FESEM của màng sơn acrylic chứa 2 %kl các hạt nano R-TiO2 chưa biến tính (AuT) và biến tính với 3 %kl TMSPM (A2mTi3T). Phổ phản xạ khuếch tán của màng sơn acrylic chứa hỗn hợp các hạt nano mZr3G và mTi3T với tỉ lệ khối lượng mZr3G/mTi3T khác nhau .