Luận văn thạc sĩ: Chế tạo màng phủ từ oligomer urethane và silica biến tính

Nghiên cứu hệ thống chế tạo màng phủ từ oligomer urethane và silica biến tính, phương pháp định lượng kết hợp định tính, góp phần phát triển chuyên

• Tác giả: Nguyễn Phú Hào
• Người hướng dẫn: PGS. Huỳnh Đại Phú
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Vật Liệu
• Đề tài: Chế Tạo Màng Phủ Từ Oligomer Urethane Và Silica Biến Tính
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT NỘI DUNG
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• MỞ ĐẦU
• Mục tiêu nghiên cứu
• Đối tượng nghiên cứu
• Phạm vi nghiên cứu
• Nội dung thực hiện
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Màng phủ đóng rắn bằng tia tử ngoại
• 1.1.1. Thành phần của hệ tạo màng phủ đóng rắn bằng tia tử ngoại
• 1.1.2. Ứng dụng của màng phủ đóng rắn bằng tia tử ngoại
• 1.2. Giới thiệu về silica
• 1.2.1. Tính chất vật lý của silica
• 1.2.2. Các nhóm chức trên bề mặt của silica
• 1.2.3. Phương pháp kết tủa silica vô định hình
• 1.3. Tro bay nhiệt điện
• 1.3.1. Thành phần khoáng và thành phần hóa học của tro bay
• 1.3.2. Hình thái và kích thước hạt của tro bay
• 1.4. Phản ứng biến tính silica bằng silane
• 1.4.1. Trong dung môi nước
• 1.4.2. Trong dung môi hữu cơ
• 1.5. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam
• 1.6. Cơ sở thực hiện đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 2.2. Nội dung thực hiện
• 2.3. Hóa chất, dụng cụ, thiết bị sử dụng và địa điểm thực hiện
• 2.3.1. Hóa chất sử dụng
• 2.3.2. Các dụng cụ, thiết bị sử dụng và địa điểm thực hiện
• 2.3.3. Địa điểm tiến hành thí nghiệm
• 2.4. Quy trình thực nghiệm
• 2.4.1. Tổng hợp silica kết tủa vô định hình từ tro bay
• 2.4.2. Biến tính silica kết tủa với silane bằng phương pháp nghiền bi
• 2.4.3. Tổng hợp oligomer urethane methacrylate
• 2.4.4. Gia công màng phủ UV
• 2.5. Các phương pháp phân tích và đánh giá
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Nghiên cứu tổng hợp silica vô định hình từ tro bay
• 3.1.1. Phân tích thành phần hóa học và cấu trúc của nguyên liệu tro bay
• 3.1.2. Kết quả tổng hợp silica từ tro bay
• 3.2. Nghiên cứu biến tính silica bằng phương pháp nghiền bi
• 3.2.1. Khảo sát hàm lượng rắn của silica biến tính trong hệ dung môi theo thời gian nghiền bi
• 3.2.2. Khảo sát sự phân bố kích thước hạt silica biến tính theo thời gian nghiền bi
• 3.2.3. Khảo sát hàm lượng hữu cơ trên bề mặt hạt silica biến tính theo thời gian nghiền bi
• 3.2.4. Phân tích phổ hồng ngoại Fourier và quan sát hình thái của silica biến tính
• 3.3. Nghiên cứu tổng hợp oligomer urethane methacrylate
• 3.3.1. Xác định thời gian phản ứng cần thiết
• 3.3.2. Phân tích phổ hồng ngoại Fourier
• 3.4. Nghiên cứu pha chế, gia công và đánh giá màng phủ UV
• 3.4.1. Xác định hàm lượng triethanolamine tối đa
• 3.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ oligomer/monomer đến độ cứng Erichsen của màng phủ
• 3.4.3. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng silica biến tính đến độ cứng Erichsen và chỉ số mài mòn của màng phủ UV
• 3.4.4. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng silica biến tính đến mật độ quang của màng phủ UV
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan

Nghiên cứu chế tạo màng phủ từ oligomer urethane và silica biến tính tập trung vào việc phát triển một hệ thống màng phủ có khả năng chống trầy xước và kháng mài mòn cho nhựa PMMA và PC. Màng phủ này được thiết kế để đóng rắn bằng tia tử ngoại, nhằm tạo ra một lớp bảo vệ hiệu quả cho các sản phẩm nhựa trong suốt. Silica được tổng hợp từ tro bay, một nguồn nguyên liệu có sẵn, và được biến tính để cải thiện tính chất cơ lý của màng phủ. Việc sử dụng silica biến tính không chỉ giúp tăng cường độ cứng mà còn cải thiện khả năng chịu mài mòn của màng phủ, điều này rất quan trọng trong các ứng dụng thực tiễn. Theo báo cáo, màng phủ có độ cứng tối đa đạt được là 12N khi kết hợp với 3% silica biến tính.

1.1. Màng phủ đóng rắn bằng tia tử ngoại

Hệ tạo màng phủ đóng rắn bằng tia tử ngoại thường bao gồm nhựa nền, chất pha loãng, chất khơi mào quang hóa và các phụ gia khác. Nhựa nền là yếu tố quyết định tính chất của màng phủ, với các loại nhựa như polyurethane và polyester acrylate thường được sử dụng. Các chất khơi mào quang hóa có vai trò quan trọng trong việc tạo ra gốc tự do khi hấp thụ tia UV, từ đó kích thích quá trình polymer hóa. Hệ thống này cho phép tạo ra màng phủ với độ bền cao và khả năng chống lại các tác động bên ngoài, phục vụ cho nhiều ứng dụng trong công nghiệp và đời sống.

1.2. Tính chất và ứng dụng của silica

Silica đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện tính chất cơ lý của màng phủ. Tính chất vật lý của silica, bao gồm kích thước hạt và cấu trúc bề mặt, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của màng phủ. Nghiên cứu cho thấy rằng việc biến tính silica với vinyltrimethoxysilane giúp tạo ra các hạt silica có khả năng phân tán tốt hơn trong dung môi, từ đó nâng cao tính đồng nhất và khả năng tương tác của màng phủ. Ứng dụng của màng phủ này không chỉ giới hạn trong ngành công nghiệp nhựa mà còn có thể mở rộng sang các lĩnh vực như điện tử và xây dựng, nơi yêu cầu cao về độ bền và tính thẩm mỹ.

II. Phương pháp nghiên cứu

Quá trình nghiên cứu được chia thành bốn giai đoạn chính: tổng hợp silica từ tro bay, biến tính silica bằng phương pháp nghiền bi, tổng hợp oligomer urethane methacrylate, và cuối cùng là chế tạo màng phủ. Silica được tổng hợp từ tro bay nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân 1, với kích thước hạt được kiểm soát để đạt được các đặc tính mong muốn. Biến tính silica với vinyltrimethoxysilane giúp tạo ra các hạt silica có nhóm vinyl trên bề mặt, từ đó tăng cường khả năng tương tác với oligomer. Quá trình tổng hợp oligomer urethane được thực hiện với tỷ lệ chính xác của các thành phần để đảm bảo độ chuyển hóa cao và chất lượng sản phẩm cuối cùng. Các phương pháp phân tích như phổ hồng ngoại Fourier và phân tích nhiệt trọng lượng được sử dụng để đánh giá tính chất của các vật liệu đã tổng hợp.

2.1. Tổng hợp silica từ tro bay

Tổng hợp silica từ tro bay được thực hiện qua các bước làm sạch và kết tủa. Phân tích thành phần hóa học của tro bay cho thấy hàm lượng SiO2 cao, điều này cho phép thu được silica với độ tinh khiết cao. Quá trình này không chỉ giúp tận dụng nguồn tài nguyên sẵn có mà còn góp phần vào việc giảm thiểu chất thải từ các nhà máy nhiệt điện. Kết quả cho thấy silica thu được có kích thước hạt đồng đều và có khả năng tương tác tốt với các thành phần khác trong hệ tạo màng.

2.2. Biến tính silica bằng phương pháp nghiền bi

Biến tính silica là bước quan trọng trong quá trình chế tạo màng phủ. Phương pháp nghiền bi được áp dụng để tạo ra các hạt silica nhỏ hơn, có khả năng phân tán tốt hơn trong dung môi. Thời gian nghiền bi và hàm lượng rắn của silica là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất của sản phẩm cuối cùng. Kết quả khảo sát cho thấy rằng việc tăng thời gian nghiền bi dẫn đến sự gia tăng hàm lượng hữu cơ trên bề mặt hạt silica, điều này giúp cải thiện khả năng tương tác của silica với oligomer urethane trong quá trình chế tạo màng phủ.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng màng phủ chế tạo từ oligomer urethane và silica biến tính có độ cứng và khả năng kháng mài mòn cao. Đặc biệt, độ cứng Erichsen của màng phủ tăng lên khi có sự hiện diện của silica biến tính, cho thấy sự tương tác tích cực giữa các thành phần trong hệ tạo màng. Chỉ số mài mòn cũng giảm đáng kể khi thêm silica, chứng tỏ tính hiệu quả của phương pháp chế tạo này. Những kết quả này không chỉ góp phần vào việc phát triển các sản phẩm nhựa có độ bền cao mà còn mở ra cơ hội cho việc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

3.1. Đánh giá tính chất cơ lý của màng phủ

Các chỉ tiêu như độ cứng, chỉ số mài mòn và độ truyền quang của màng phủ được đánh giá thông qua các thử nghiệm tiêu chuẩn. Kết quả cho thấy rằng màng phủ có thể đạt được độ cứng tối đa là 12N và chỉ số mài mòn giảm xuống còn 17,33 mg/1000 vòng khi có 3% silica biến tính. Điều này chứng tỏ rằng việc bổ sung silica không chỉ cải thiện tính chất cơ lý mà còn nâng cao khả năng bảo vệ cho các sản phẩm nhựa trong suốt.

3.2. Ứng dụng thực tiễn của màng phủ

Màng phủ chế tạo từ oligomer urethane và silica biến tính có thể được ứng dụng rộng rãi trong các sản phẩm nhựa như kính, cửa sổ máy bay và các thiết bị quang học khác. Khả năng chống trầy xước và mài mòn của màng phủ giúp kéo dài tuổi thọ sử dụng của sản phẩm, đồng thời duy trì tính thẩm mỹ. Nghiên cứu này không chỉ có giá trị về mặt lý thuyết mà còn mang lại lợi ích thiết thực cho ngành công nghiệp sản xuất nhựa.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thực trạng phát thải tro xỉ từ các nhà máy nhiệt điện tại Việt Nam trong năm 2021 đạt khoảng 16 triệu tấn, nâng tổng lượng tro xỉ tồn đọng tích lũy lên hơn 48 triệu tấn. Nguồn phế thải công nghiệp này chứa tới 56% hàm lượng silica hữu ích nhưng chưa được khai thác tối ưu cho các sản phẩm công nghệ cao. Song song đó, các loại vật liệu nhựa quang học như poly(methyl methacrylate) và polycarbonate đóng vai trò quan trọng trong sản xuất kính chắn gió, kính bảo hộ, tấm lấy sáng và thấu kính nhờ độ truyền suốt vượt trội. Tuy nhiên, nhược điểm chí mạng của nhóm nhựa này là độ cứng bề mặt thấp, rất dễ bị trầy xước và tổn hại do ma sát mài mòn cơ học trong quá trình sử dụng thực tế.

Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán chế tạo hệ màng phủ bảo vệ trong suốt, có khả năng đóng rắn nhanh dưới bức xạ tử ngoại, nhằm gia cường cơ tính vượt trội cho nền nhựa poly(methyl methacrylate). Bằng giải pháp tổng hợp nanosilica biến tính bề mặt từ tro bay nhiệt điện Vĩnh Tân 1 để phối trộn cùng oligomer urethane methacrylate, nghiên cứu hướng đến việc nâng cao khả năng kháng mài mòn và độ cứng bề mặt mà không làm suy giảm độ trong suốt quang học.

Nghiên cứu được triển khai từ tháng 09/2022 đến tháng 01/2023 tại Trường Đại học Bách Khoa thuộc Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Kết quả thực nghiệm mang lại giá trị công nghệ cao khi màng phủ composite đạt độ cứng chống trầy Erichsen lên tới 12,0 N và giảm hao hụt mài mòn Taber xuống chỉ còn 17,33 mg/1000 vòng. Công trình vừa tạo ra giải pháp vật liệu bảo vệ bề mặt hiệu năng cao, vừa thúc đẩy kinh tế tuần hoàn thông qua tái chế phế thải nhiệt điện thành vật liệu nano có giá trị gia tăng lớn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết trùng hợp gốc tự do cảm ứng quang hóa kết hợp cơ chế gia cường vật liệu polymer nano composite. Quá trình quang hóa sử dụng hệ khơi mào kép gồm hợp chất nhóm alpha-hydroxy ketone hấp thụ photon bước sóng dưới 300 nm và hợp chất acylphosphine oxide hấp thụ bước sóng trên 300 nm. Sự phối hợp này đảm bảo phản ứng đóng rắn diễn ra triệt để từ lớp bề mặt tiếp xúc không khí đến sâu bên trong màng phủ.

Cơ chế ghép nối silane hóa được vận dụng để xử lý liên diện giữa pha vô cơ và pha hữu cơ. Bề mặt silica chứa mật độ lớn các nhóm silanol tự do với tín hiệu phổ hồng ngoại đặc trưng tại 3750 cm-1. Khi phản ứng với vinyltrimethoxysilane, các liên kết siloxane bền vững được hình thành, đưa nhóm chức vinyl ra bề mặt ngoài của hạt nano.

Nghiên cứu khai thác sâu các khái niệm trọng tâm:

• Oligomer urethane methacrylate: Nhựa nền 3 chức methacrylate tổng hợp từ isophorone diisocyanate trimer và hydroxyethyl methacrylate, cung cấp độ dai chắc và liên kết hydro mật độ cao.
• Monomer hexanediol diacrylate: Dung môi hoạt tính 2 chức có độ nhớt thấp 7 cPs, đóng vai trò pha loãng và tăng mật độ nối ngang.
• Nanosilica vô định hình: Hạt độn gia cường đẳng hướng có kích thước hạt đơn từ 15 nm đến 20 nm.
• Độ cứng chống trầy Erichsen và chỉ số mài mòn Taber: Các thông số định lượng chuẩn mực cho độ bền cơ lý bề mặt.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quy trình trích ly tro bay nhiệt điện Vĩnh Tân 1 với cỡ mẫu 100 g mỗi mẻ. Quy trình chọn mẫu đại diện qua sàng 100 mesh kết hợp khử từ tính bằng nam châm để tách oxide sắt, tiếp nối bằng đun hoàn lưu với dung dịch acid sulfuric 2,5M ở nhiệt độ 100 độ C trong 2 giờ nhằm loại bỏ triệt để các oxide kim loại tạp.

Phương pháp phân tích huỳnh quang tia X và nhiễu xạ tia X được lựa chọn để kiểm tra độ tinh khiết hóa học và xác định trạng thái vô định hình của silica. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier giúp theo dõi thời gian thực độ chuyển hóa hàm lượng nhóm isocyanate về mức 0% trong phản ứng tạo urethane. Kỹ thuật tán xạ ánh sáng động và kính hiển vi điện tử quét quét phân giải cao 90kx được ứng dụng nhằm xác định chính xác kích thước chùm hạt silica phân tán lơ lửng trong hệ dung môi isopropanol và toluene.

Phương pháp gia công màng phủ thực hiện bằng kỹ thuật nhúng rút mẫu trên nền nhựa poly(methyl methacrylate), sau đó đóng rắn trên dây chuyền UV công nghiệp với tốc độ băng tải 0,5 m/phút. Khảo sát thực nghiệm được thiết kế có hệ thống qua 4 mốc thời gian nghiền bi biến tính gồm 4, 8, 12, 16 giờ, 4 tỷ lệ oligomer/monomer gồm 70/30, 60/40, 50/50, 40/60 và 4 mức hàm lượng silica gồm 0%, 1%, 2%, 3%.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình trích ly và tinh chế tro bay đã thu hồi thành công bột silica vô định hình đạt độ sạch cao, cấu trúc hạt đơn đồng đều trong dải kích thước 15 nm đến 20 nm. Kết quả phân tích nhiệt trọng lượng và tán xạ ánh sáng động cho thấy phương pháp nghiền bi trong 12 giờ giúp biến tính tối ưu nhóm vinyl lên bề mặt silica, kiểm soát kích thước chùm hạt phân tán ổn định ở mức trung bình 225,1 nm trong dung môi hữu cơ.

Phản ứng tổng hợp oligomer urethane methacrylate từ isophorone diisocyanate trimer và hydroxyethyl methacrylate với 0,03% xúc tác thiếc dibutyl dilaurate diễn ra êm dịu ở nhiệt độ phòng. Hàm lượng nhóm isocyanate giảm đều đặn theo thời gian và đạt độ chuyển hóa tuyệt đối 100% sau 3 giờ phản ứng mà không xảy ra hiện tượng tự gel hóa nối đôi.

Hệ tạo màng tối ưu với tỷ lệ oligomer/monomer là 70/30 và bổ sung 3% silica biến tính mang lại bước nhảy vọt về cơ tính. Độ cứng Erichsen của màng phủ tăng từ 8,17 N ở mẫu trắng không độn lên mức 12,0 N ở mẫu độn 3% silica, tương đương mức tăng 46,88%. Đồng thời, chỉ số mài mòn Taber giảm mạnh từ 34,0 mg/1000 vòng xuống còn 17,33 mg/1000 vòng, tương ứng độ kháng mài mòn tăng lên 49,03%. Màng phủ giữ được độ truyền quang cao, không bị đục hay xuất hiện hiệu ứng sương mù.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng vượt trội về độ cứng và độ bền mài mòn được giải thích bởi cơ chế tương tác đa tầng trong mạng lưới composite. Dưới tác xạ tia tử ngoại, các nhóm vinyl trên bề mặt nanosilica tham gia đồng trùng hợp gốc tự do trực tiếp với nhóm methacrylate của oligomer và nhóm acrylate của monomer hexanediol diacrylate. Quá trình này hình thành các liên kết cộng hóa trị vững chắc đan xen với các liên kết hydro giữa nhóm silanol còn lại với khung polymer, tạo nên hiệu ứng cản trở không gian mạnh mẽ chống lại sự dịch chuyển của các chuỗi phân tử khi chịu lực cắt cơ học.

Khi so sánh với các công bố khoa học quốc tế, kết quả của nghiên cứu thể hiện sự vượt trội về độ bền mài mòn. Một nghiên cứu của Wang và cộng sự ghi nhận màng phủ urethane acrylate chứa 30% monomer hexanediol diacrylate có chỉ số mài mòn là 34 mg/1000 vòng. Tại Việt Nam, nghiên cứu trước đây của Bùi Đức Thọ sử dụng nhựa nền từ hexamethylene diisocyanate trimer đạt độ cứng 10,0 N. Nhờ việc phân tán đồng đều 3% nanosilica biến tính, luận văn này đã đưa độ cứng lên 12,0 N và giảm độ mài mòn xuống 17,33 mg/1000 vòng.

Các dữ liệu thực nghiệm về độ cứng theo chu kỳ chiếu xạ UV được thể hiện rõ ràng qua biểu đồ đường biểu diễn sự tăng trưởng cơ tính theo liều năng lượng. Sự sụt giảm hao hụt khối lượng mài mòn được trình bày mạch lạc thông qua biểu đồ cột so sánh trực quan giữa các hàm lượng hạt độn từ 0% đến 3%, minh chứng cho tính ưu việt của hệ phân tán nano.

Đề xuất và khuyến nghị

Để đưa công nghệ màng phủ composite quang hóa vào ứng dụng thực tiễn sản xuất, các giải pháp cụ thể được đề xuất triển khai:

1. Chuẩn hóa và mở rộng quy trình trích ly silica quy mô bán công nghiệp: Tối ưu hóa các công đoạn rửa acid và kết tủa kiểm soát pH tự động nhằm nâng hiệu suất thu hồi silica từ tro bay đạt trên 85% trong khung thời gian 12 tháng tới. Chủ thể thực hiện là các phòng thí nghiệm trọng điểm phối hợp với các doanh nghiệp xử lý tro xỉ nhiệt điện.
2. Nâng cấp thiết bị gia công sơn nhúng tự động cho chi tiết quang học 3D: Thiết lập hệ thống điều khiển tốc độ rút mẫu tự động nhằm duy trì độ dày màng phủ đồng nhất trong khoảng 15 đến 25 micromet trên các sản phẩm có biên dạng cong phức tạp như nón bảo hiểm và chóa đèn xe trong vòng 6 đến 9 tháng. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư cơ chế tạo và chuyên viên R&D ngành sơn.
3. Nghiên cứu chuyển đổi sang nguồn phát xạ LED-UV bước sóng dài: Thử nghiệm phối hợp các chất khơi mào quang hóa tương thích dải sóng 365 nm đến 395 nm để giảm thiểu 30% lượng tiêu thụ điện năng và kéo dài tuổi thọ thiết bị sấy trong giai đoạn 18 tháng. Chủ thể thực hiện là các đơn vị phát triển giải pháp chiếu sáng công nghiệp và công nghệ hóa chất.
4. Đánh giá độ bền thời tiết và tích hợp phụ gia chống tia cực tím: Bổ sung các hợp chất hấp thụ tia cực tím và chất ổn định ánh sáng amine hindered để nâng cao độ bền lão hóa ngoài trời đạt trên 2000 giờ thử nghiệm gia tốc thời tiết trước quý 4 năm sau. Chủ thể thực hiện là nhóm nghiên cứu vật liệu polymer phối hợp cùng trung tâm đo lường chất lượng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn cung cấp nguồn tư liệu học thuật và giải pháp kỹ thuật giá trị cho các nhóm đối tượng chuyên môn:

• Kỹ sư R&D ngành sơn phủ và màng bảo vệ: Tiếp cận chi tiết công thức phối chế hệ sơn UV gốc tự do, kỹ thuật sử dụng hệ khơi mào kép kết hợp dung môi hoạt tính để đạt độ chuyển hóa 100% mà không bị ố vàng.
• Doanh nghiệp sản xuất và gia công nhựa quang học: Ứng dụng trực tiếp quy trình phủ nhúng và đóng rắn nhanh nhằm nâng cao độ cứng lên 12,0 N cho các sản phẩm tấm lấy sáng polycarbonate, kính che mắt poly(methyl methacrylate) và linh kiện ô tô xe máy.
• Các đơn vị quản lý môi trường và nhà máy nhiệt điện than: Nắm bắt phương pháp chuyển hóa tro xỉ chứa 56% silica thành hạt nano tinh khiết phục vụ công nghiệp polyme composite, mở ra hướng đi khả thi cho việc giảm tải bãi thải xỉ.
• Giảng viên và học viên sau đại học chuyên ngành Kỹ thuật Vật liệu: Sử dụng làm tài liệu tham khảo mẫu mực về phương pháp phân tích phổ hồng ngoại, nhiễu xạ tia X, kính hiển vi điện tử quét và quy trình biến tính bề mặt vật liệu nano bằng phương pháp nghiền bi.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cần phải biến tính silica bằng vinyltrimethoxysilane trước khi đưa vào màng phủ? Nanosilica thô có bề mặt ưa nước do chứa nhiều nhóm silanol tự do, dẫn đến xu hướng tự kết tụ khi phân tán vào nhựa hữu cơ. Việc xử lý bằng vinyltrimethoxysilane tạo ra lớp vỏ hữu cơ gắn nhóm vinyl, giúp hạt phân tán ổn định với kích thước 225,1 nm và liên kết cộng hóa trị với mạng lưới polymer khi chiếu xạ UV.

Việc sử dụng xúc tác thiếc dibutyl dilaurate mang lại lợi ích gì trong tổng hợp oligomer? Xúc tác thiếc dibutyl dilaurate với hàm lượng chỉ 0,03% giúp phản ứng cộng hợp giữa nhóm isocyanate của isophorone diisocyanate trimer và nhóm hydroxyl của hydroxyethyl methacrylate diễn ra nhanh chóng tại nhiệt độ phòng. Phản ứng đạt độ chuyển hóa 100% trong 3 giờ mà không cần gia nhiệt, loại bỏ nguy cơ nhiệt trùng hợp sớm của nhóm methacrylate.

Tại sao hàm lượng silica biến tính tối ưu được xác định là 3%? Hàm lượng 3% silica mang lại độ cứng tối đa 12,0 N và giảm chỉ số mài mòn xuống 17,33 mg/1000 vòng mà vẫn bảo toàn độ trong suốt quang học của màng. Nếu tăng hàm lượng vượt ngưỡng này, độ nhớt của hệ tăng cao gây khó khăn khi nhúng phủ và các hạt nano dễ bị tái kết tụ làm màng phủ mờ đục.

Phương pháp phủ nhúng có ưu thế gì so với kỹ thuật lăn cán màng truyền thống? Kỹ thuật lăn cán trục chỉ áp dụng hiệu quả trên các bề mặt tấm phẳng công nghiệp. Phương pháp phủ nhúng cho phép dung dịch sơn phân bố đều khắp bề mặt các chi tiết có hình dạng 3D phức tạp, độ cong gồ ghề như nắp đèn pha, kính mũ bảo hiểm với bề dày lớp phủ được kiểm soát chính xác qua tốc độ kéo mẫu.

Nguồn tro bay nhiệt điện Vĩnh Tân 1 có đáp ứng được độ tinh khiết làm màng quang học không? Tro bay ban đầu chứa 56% silica cùng nhiều tạp chất sắt và nhôm. Sau khi qua các bước hút sắt từ tính và rửa acid sulfuric 2,5M ở 100 độ C, các oxide kim loại gây màu bị loại bỏ hoàn toàn. Bột silica kết tủa thu được đạt độ tinh khiết cao, cấu trúc vô định hình hoàn toàn và trong suốt khi phân tán vào nhựa.

Kết luận

• Luận văn đã trích ly thành công nanosilica vô định hình kích thước hạt 15 nm đến 20 nm từ nguồn tro bay nhiệt điện Vĩnh Tân 1 chứa 56% silica.
• Phương pháp nghiền bi trong 12 giờ với vinyltrimethoxysilane giúp tạo hệ keo silica biến tính phân tán đồng đều ở kích thước chùm hạt 225,1 nm trong dung môi hữu cơ.
• Tổng hợp thành công nhựa nền urethane methacrylate 3 chức từ isophorone diisocyanate trimer và hydroxyethyl methacrylate với độ chuyển hóa isocyanate đạt 100% ở nhiệt độ phòng sau 3 giờ.
• Hệ màng phủ quang hóa hoàn chỉnh đạt độ cứng Erichsen đỉnh cao 12,0 N và hạ chỉ số mài mòn Taber xuống 17,33 mg/1000 vòng khi tích hợp 3% silica biến tính trên tỷ lệ nền oligomer/monomer 70/30.
• Màng phủ duy trì độ trong suốt quang học cao và độ bám dính tuyệt hảo trên chất nền nhựa poly(methyl methacrylate).

Trong kế hoạch phát triển tiếp theo giai đoạn 2024 đến 2025, công nghệ sẽ được mở rộng thử nghiệm trên quy mô thiết bị pilot và tích hợp phụ gia kháng thời tiết phục vụ thương mại hóa. Các đơn vị sản xuất vật liệu và doanh nghiệp gia công nhựa quang học quan tâm có thể liên hệ hợp tác chuyển giao công nghệ để nâng cao chất lượng sản phẩm và tối ưu hóa chi phí sản xuất ngay hôm nay.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Màng phủ đóng rắn bằng tia tử ngoại 1.1 Thành phần của hệ tạo màng phủ đóng rắn bằng tia tử ngoại Một hệ tạo màng phủ đóng rắn bằng tia tử ngoại (hệ tạo màng UV, sơn UV) điển hình bao gồm các thành phần chính như sau [1]: - Nhựa nền chứa nhiều nối đôi có thể polymer hóa, quyết định tính chất của màng phủ. - Chất pha loãng có thể đồng polymer hóa với nhựa nền (hay còn gọi là dung môi hoạt tính hoặc monomer), dùng để điều chỉnh độ nhớt của hệ tạo màng. - Chất khơi mào quang hóa có thể phân hủy tạo gốc tự do hoặc ion khi hấp thụ photon từ chùm tia UV. - Các phụ gia cần thiết như phụ gia hoạt động bề mặt, hạt độn, bột màu, chất ổn định ánh sáng,… Hệ tạo màng UV được sử dụng phổ biến nhất hiện nay thuộc loại gốc tự do, trong khi hệ tạo màng UV cation chưa được phát triển mạnh vì các chất khơi mào quang hóa cation chưa được phát triển mạnh mẽ [1].

Do đó, các phần cơ sở lý thuyết sau chỉ tập trung vào hệ tạo màng UV gốc tự do.1 Nhựa nền Nhựa nền dùng trong hệ tạo màng UV là các loại nhựa có trọng lượng phân tử thấp, thường dao động từ 300-5000 g/mol. Các loại nhựa chủ yếu có thể kể đến là các nhựa có thể polymer hóa gốc tự do như nhựa polyester không no, nhựa epoxy, polyester, polyether và polyurethane chứa nhóm acrylate hoặc methacrylate cuối mạch. Ngoài ra còn có các loại nhựa có thể polymer hóa theo cơ chế cation như epoxy và vinylether. Cho đến nay, nhựa polymer hóa gốc tự do được sử dụng phổ biến hơn cả, trong đó thông dụng nhất là epoxy acrylate, polyester acrylate, polyether acrylate và urethane acrylate [1].

Huỳnh Đại Phú 4 Hình 1.1 Cấu trúc hóa học tổng quát của các loại nhựa epoxy acrylate, polyester acrylate, polyether acrylate và urethane acrylate[1]. Về tính chất mang lại bởi các loại nhựa nền kể trên, ta có thể quan sát đồ thị sau trong Hình 1. Theo đó, nhựa epoxy acrylate (aromatic) mang lại độ cứng cao, hoạt tính cao và khả năng chịu hóa chất tốt, trong khi đó, urethane acrylate được biết đến nhiều hơn về độ linh động, dai chắc và kháng mài mòn. Polyester acrylate có sự cân bằng về tính chất, và polyether acrylate là các loại dung môi hoạt tính rất tốt nhờ có độ nhớt thấp nhưng không thể được dùng làm nhựa nền riêng lẻ [1].

 Trong các loại nhựa nền đã đề cập, urethane acrylate được lựa chọn vì những lý do sau đây: - Việc tổng hợp urethane acrylate có thể được thực hiện bằng cách thực hiện phản ứng giữa một loại polyisocyanate và một loại alcohol chứa nhóm acrylate ở nhiệt độ thường với xúc tác (thường là muối hữu cơ của thiếc). Phản ứng này xảy ra nhanh chóng và không mang lại rủi ro quá nhiệt, làm tổn hại các nối đôi của nhóm acrylate. - Các vị trí liên kết urethane có thể tương tác vật lý mạnh mẽ với nhau, mang lại độ dai chắc, bền bỉ, chịu mài mòn, chịu dung môi của màng phủ. Tuy độ cứng của màng phủ có thể sẽ thấp hơn so với epoxy acrylate nhưng điều đó có thể được bù đắp bởi hiệu ứng gia cường từ các hạt silica.

Huỳnh Đại Phú 5 Hình 1.2 Các tính chất tổng quát của các loại nhựa acrylate đóng rắn bằng tia UV điển hình [1].2 Dung môi hoạt tính Dung môi hoạt tính (monomer) được dùng trong hệ sơn UV gốc tự do thường là các hợp chất gốc acrylate đơn chức hoặc đa chức.