Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển của các thiết bị điện tử thông minh, thiết bị đeo di động phục vụ đời sống và y tế dẫn đến áp lực lớn về rác thải điện tử đối với môi trường khi các thiết bị lỗi thời bị thải bỏ. Đồng thời, các hệ thống điện tử truyền thống phụ thuộc vào pin hóa học thường gặp hạn chế về kích thước, khối lượng, quy trình thay thế phức tạp và nguy cơ gây ô nhiễm môi trường khi xử lý pin đã qua sử dụng. Để giải quyết thách thức này, máy phát điện nano ma sát (Triboelectric Nanogenerator - TENG) được nghiên cứu nhằm thu nhận các nguồn cơ năng phân tán sẵn có trong môi trường như chuyển động của con người, rung động cơ học, sóng biển và dòng nước để chuyển đổi thành điện năng.

Tuy nhiên, phần lớn các thiết bị TENG thông thường vẫn sử dụng màng polymer tổng hợp khó phân hủy sinh học. Hướng tiếp cận kết hợp TENG với các loại polymer có khả năng phân hủy sinh học (Biodegradable Polymer - BDP) mở ra tiềm năng tạo ra các thiết bị tự cấp nguồn thân thiện với môi trường (Biodegradable Triboelectric Nanogenerator - BD-TENG). Trong số các polymer phân hủy sinh học, Polycaprolactone (PCL) là vật liệu có tính tương thích sinh học cao, độ dẻo dai cơ học tốt và chi phí hợp lý. Nhằm tăng cường mật độ điện tích ma sát trên bề mặt tiếp xúc, kỹ thuật electrospinning được áp dụng để chế tạo sợi PCL cấu trúc xốp có tỷ số diện tích bề mặt trên thể tích lớn, giúp nâng cao hiệu suất đầu ra của thiết bị TENG.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được tác giả xác định cụ thể như sau:

  1. Chế tạo sợi micro electrospun PCL có cấu trúc xốp từ hạt nhựa PCL nguyên sinh ($M_w \approx 65.000 - 75.000\text{ g/mol}$) bằng phương pháp electrospinning.
  2. Khảo sát các yếu tố công nghệ và vật liệu ảnh hưởng đến hình thái, kích thước sợi micro electrospun PCL cấu trúc xốp nhằm xác định bộ thông số tối ưu.
  3. Đánh giá kết quả tạo sợi thông qua các phương pháp kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR).
  4. Ứng dụng màng sợi micro electrospun PCL cấu trúc xốp vào máy phát điện nano TENG chế độ tiếp xúc - phân tách dọc khi kết hợp với màng Polydimethylsiloxane cấu trúc lồi (convex PDMS), khảo sát các đặc tính phát điện dưới tác động cơ học.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Sợi micro polycaprolactone (PCL) cấu trúc xốp chế tạo bằng phương pháp electrospinning, màng phẳng PCL đối chứng và thiết bị máy phát điện nano TENG cấu trúc tiếp xúc - phân tách dọc kết hợp giữa PCL và convex PDMS.
  • Phạm vi không gian: Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ Vật liệu - Khoa Khoa học Ứng dụng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh và Trung tâm Polymer - Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Phạm vi thời gian: Khóa luận được hoàn thành vào tháng 08 năm 2021.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu dựa trên hai nền tảng lý thuyết và vật lý chính: nguyên lý tạo sợi điện trường cao (electrospinning) và nguyên lý phát điện ma sát nano (TENG).

Kỹ thuật electrospinning hoạt động dựa trên hiện tượng biến dạng của giọt dung dịch polymer tích điện dưới tác dụng của điện trường tĩnh điện cao áp. Khi điện áp vượt ngưỡng tới hạn, lực tĩnh điện thắng sức căng bề mặt của giọt chất lỏng tại đầu kim, kéo căng giọt thành dạng hình nón Taylor (Taylor cone-jet). Tia dung dịch sau đó bị kéo giãn liên tục, dung môi bay hơi trên quãng đường bay và sợi polymer tích tụ trên bản thu nối đất. Tùy thuộc vào điện áp và tốc độ bơm, quá trình phun có thể diễn ra theo các chế độ: nhỏ giọt (dripping mode), vi giọt (micro dripping), phun tia nón ổn định (Taylor cone-jet), phun tia dao động (oscillating-jet) hoặc đa tia (multi-jet). Trong đó, chế độ Taylor cone-jet là chế độ cần đạt được để tạo màng sợi có kích thước đồng đều và độ lặp lại cao.

Nguyên lý hoạt động của TENG dựa trên sự kết hợp giữa hiệu ứng phân cực điện ma sát (triboelectrification) và cảm ứng tĩnh điện (electrostatic induction). Thiết bị sử dụng trong khóa luận hoạt động theo chế độ tiếp xúc - phân tách dọc (Vertical Contact-Separation mode - VCS TENG). Khi hai bề mặt ma sát mang tính chất tích điện trái dấu (PCL đóng vai trò vật liệu cho/nhận điện tích và PDMS đóng vai trò vật liệu nhận điện tích âm mạnh) tiếp xúc dưới ngoại lực cơ học, các điện tích ma sát xuất hiện trên bề mặt. Khi ngoại lực giải phóng, khoảng cách giữa hai lớp tăng lên tạo ra hiệu điện thế cảm ứng, thúc đẩy dòng electron chuyển dịch qua tải ngoài giữa hai bản cực thu kim loại.

Phương pháp thực nghiệm được triển khai theo quy trình chế tạo mẫu và đo đạc phân tích:

  • Phương pháp chế tạo sợi: Khảo sát quá trình hòa tan PCL trong các dung môi hữu cơ khác nhau, tiến hành kéo sợi trên hệ thiết bị electrospinning với biến thiên nồng độ polymer, điện áp, tốc độ phun, khoảng cách kim - bản thu và cỡ đầu kim.
  • Phương pháp chế tạo màng phẳng đối chứng: Sử dụng phương pháp phủ quay (spin-coating) dung dịch PCL/Chloroform lên tấm đế đồng đã phủ lớp đệm Polystyrene sulfonic acid (PSS) hòa tan được trong nước để bóc tách màng độc lập.
  • Phương pháp phân tích hình thái và cấu trúc: Sử dụng kính hiển vi quang học Olympus MX 51 DP 22 để kiểm tra sơ bộ bề mặt; kính hiển vi điện tử quét SEM Hitachi TM4000Plus để quan sát cấu trúc xốp và đường kính sợi; quang phổ FT-IR Bruker Tensor 37 để kiểm tra các nhóm chức hóa học trước và sau khi kéo sợi. Đường kính sợi được xử lý định lượng bằng phần mềm ImageJ và phân tích thống kê trên phần mềm Minitab.
  • Phương pháp đo đạc tính chất điện: Hệ thống đo gồm máy hiện sóng số Oscilloscope kết hợp hộp điều chỉnh tần số cơ học, bộ điện trở tải ngoài, hệ nạp tụ điện (tụ điện dung $2,2\text{ }\mu\text{F}$ và các tụ đối chứng), mạch cầu chỉnh lưu và tải thử nghiệm gồm 6 bóng đèn LED.
Danh mục vật liệu & Thiết bị Tên cụ thể / Model Thông số kỹ thuật / Nhà cung cấp Vai trò trong nghiên cứu
Polycaprolactone (PCL) Hạt vảy, màu trắng $M_w \approx 65.000 - 75.000\text{ g/mol}$, $T_m = 60^\circ\text{C}$, $T_g = -60^\circ\text{C}$ (Trung Quốc) Polymer nền tạo sợi ma sát
Dichloromethane (DCM) $\text{CH}_2\text{Cl}_2$, lỏng không màu Độ tinh khiết phân tích, $T_b = 40^\circ\text{C}$, tỷ trọng $1,3266\text{ g/ml}$ (Chemsol, Việt Nam) Dung môi tạo độ xốp bề mặt
Chloroform $\text{CHCl}_3$, lỏng không màu Phân tích, $T_b = 61,2^\circ\text{C}$, tỷ trọng $1,489\text{ g/cm}^3$ (Fisher, Mỹ) Dung môi tạo màng phẳng đối chứng
Kính hiển vi quang học Olympus MX 51 DP 22 Tích hợp camera quang học DP22 Quan sát sơ bộ hình thái sợi
Kính hiển vi SEM Hitachi TM4000Plus Kính hiển vi điện tử quét để bàn Đánh giá cấu trúc xốp và đường kính
Máy quang phổ FT-IR Bruker Tensor 37 Dải phổ hồng ngoại biến đổi Fourier Phân tích liên kết và nhóm chức hóa học
Máy hiện sóng số Oscilloscope Màn hình kỹ thuật số hiển thị dạng sóng Đo điện áp mạch hở và tín hiệu xung điện

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về kỹ thuật electrospinning, các đặc trưng nhiệt - cơ của polymer PCL và nguyên lý hoạt động của máy phát điện nano ma sát (TENG). Tác giả phân tích cụ thể 5 chế độ phun trong electrospinning, chỉ ra rằng chế độ Taylor cone-jet là điều kiện tiên quyết để tạo mạng sợi đồng đều. Ảnh hưởng của các nhóm thông số chính gồm: bản chất polymer (khối lượng phân tử, độ nhớt, nồng độ dung dịch), tính chất dung môi (áp suất hơi, nhiệt độ sôi, độ dẫn điện, hằng số điện môi) và thông số vận hành thiết bị (điện áp, lưu lượng bơm, khoảng cách thu mẫu, đường kính kim phun).

Phần tổng quan về PCL làm rõ tính chất bán tinh thể (độ kết tinh lên tới 69%), nhiệt độ nóng chảy thấp ($60^\circ\text{C}$) và tính tương thích sinh học, phân hủy chậm trong môi trường sinh lý học. Tiếp đó, tác giả phân loại chi tiết 4 chế độ làm việc của TENG (tiếp xúc - phân tách dọc, trượt ngang, điện cực đơn và ba lớp điện cực tự do). Chương này cũng điểm lại các cột mốc nghiên cứu tiêu biểu về TENG sử dụng polymer phân hủy sinh học (BD-TENG), bao gồm nghiên cứu của Luca Valentini (2015) về màng alginate/graphene oxide (GO), Hyun-Jun Kim và cộng sự (2017) về mạng sợi tơ tằm Silk Bio-TENG, và S. Parandeh và cộng sự (2019) về hệ màng sợi electrospun PCL/GO kết hợp cellulose có điện thế mạch hở tăng vượt trội so với màng phẳng.

Chương 2: Thực nghiệm

Chương 2 mô tả toàn bộ hóa chất, dụng cụ, quy trình chế tạo sợi, quy trình làm màng phẳng và phương pháp đo đạc tính chất vật liệu. Nguyên liệu chính gồm PCL ($M_w \approx 65.000 - 75.000\text{ g/mol}$), hai dung môi DCM và Chloroform, lớp đệm PSS ($M_w \approx 75.000\text{ g/mol}$) và tấm đồng kích thước $40 \times 40 \times 0,1\text{ mm}$. Quy trình tạo sợi PCL cấu trúc xốp được tiến hành bằng cách hòa tan hoàn toàn hạt PCL trong DCM bằng máy khuấy từ, nạp dung dịch vào xy-lanh gắn đầu kim kim loại, sau đó đặt trên bơm tiêm điện tử và nối cực dương nguồn cao áp vào đầu kim, cực âm nối với bản thu bọc màng nhôm.

Quy trình tạo màng phẳng PCL/Chloroform được thực hiện qua kỹ thuật phủ quay trên đế đồng đã rửa sạch bằng bể siêu âm và phủ lót dung dịch PSS (nồng độ 1% hoặc 2% khối lượng). Sau khi sấy khô màng PCL, đế đồng được ngâm trong nước cất để hòa tan lớp PSS trung gian, giúp bóc tách màng phẳng PCL nguyên vẹn phục vụ thử nghiệm đối chứng. Quy trình khảo sát tính chất điện của thiết bị TENG được thiết lập theo chế độ tiếp xúc - phân tách dọc: màng micro electrospun PCL (kích thước $4 \times 4\text{ cm}$) gắn trên đế nhôm kết hợp cùng màng convex PDMS (kích thước $5 \times 5\text{ cm}$) gắn trên đế nhôm thứ hai. Hai điện cực nối vào hệ thống đo Oscilloscope, mạch điện trở biến thiên và tụ điện để ghi nhận các thông số điện đầu ra.

Chương 3: Kết quả và bàn luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của từng thông số đến hình thái sợi, cấu trúc màng và đặc tính phát điện của thiết bị TENG:

  • Ảnh hưởng của nồng độ polymer: Khảo sát dải nồng độ PCL từ 6% đến 29% khối lượng trong DCM. Ở nồng độ thấp (6% và 18% kl), độ nhớt dung dịch không đủ để tạo độ rối mạch polymer, quá trình phun chỉ tạo giọt bết dính. Ở nồng độ 21% và 25% kl, cấu trúc sợi xuất hiện nhưng còn lẫn nhiều hạt (beaded fibers). Khi nâng nồng độ lên 27% và 29% kl, sợi hình thành liên tục, bề mặt mịn đồng đều; trong đó nồng độ 27% kl cho mạng lưới sợi micro có mật độ lỗ xốp rõ rệt nhất.
  • Ảnh hưởng của dung môi: So sánh giữa Chloroform và DCM ở cùng nồng độ PCL 27% kl. Chloroform có tốc độ bay hơi chậm hơn tạo bề mặt sợi nhẵn, trong khi DCM có áp suất hơi cao, bay hơi nhanh hơn trong quá trình kéo sợi, dẫn đến hiện tượng phân tách pha do bay hơi và tạo ra các lỗ xốp nano/micro trên thân sợi.
  • Ảnh hưởng của thông số gia công: Lưu lượng phun được khảo sát ở các mức 0,3; 0,4 và 0,5 ml/h; lưu lượng 0,3 ml/h tạo sợi đồng đều nhất, trong khi lưu lượng cao hơn làm dung môi không kịp bay hơi dẫn đến bết dính sợi. Điện áp đặt vào được khảo sát từ 15 kV đến 17 kV; điện áp 15 kV duy trì chế độ Taylor cone-jet ổn định. Khoảng cách thu mẫu được khảo sát ở 15 cm, 17,5 cm và 20 cm; mức 17,5 cm đảm bảo dung môi bay hơi hoàn toàn mà không làm tán xạ sợi ra ngoài bản thu. Cỡ đầu kim 23G cho đường kính sợi mịn và phân bố hẹp hơn so với đầu kim 20G. Kết quả tối ưu tạo ra sợi micro PCL có đường kính trong khoảng từ $1,38\text{ }\mu\text{m}$ đến $4,13\text{ }\mu\text{m}$.
  • Kết quả phổ FT-IR: Phổ hồng ngoại của màng sợi micro electrospun PCL ghi nhận đầy đủ các pic dao động đặc trưng của PCL thô ban đầu (liên kết $\text{C=O}$ ester, dao động kéo dãn $\text{C-H}$, liên kết $\text{C-O-C}$), chứng minh kỹ thuật electrospinning hoàn toàn không làm biến đổi bản chất hóa học của polymer.
  • Kết quả khảo sát màng phẳng PCL: Ảnh SEM cho thấy màng phẳng chế tạo từ dung dịch PCL/Chloroform trên đế đồng phủ PSS có bề mặt tương đối bằng phẳng, độ nhám thấp hơn nhiều so với màng sợi electrospinning.
  • Tính chất điện ma sát của thiết bị TENG: Thử nghiệm đo điện thế hở mạch ($V_{oc}$) ở tần số 5 Hz cho thấy thiết bị TENG kết hợp màng sợi micro electrospun PCL cấu trúc xốp với màng convex PDMS đạt điện áp cực đại lên tới 188 V. Mẫu đối chứng sử dụng màng phẳng PCL kết hợp với convex PDMS chỉ đạt điện thế hở mạch 116 V. Cấu trúc xốp của sợi micro giúp tăng diện tích tiếp xúc thực tế và tạo hiệu ứng khóa liên động (interlock) cơ học với các gai lồi của convex PDMS. Khi khảo sát tải trở ngoài, công suất cực đại đạt được tại vùng tổng trở phù hợp. Thiết bị nạp điện thành công cho tụ điện dung $2,2\text{ }\mu\text{F}$ và thắp sáng trực tiếp 6 bóng đèn LED mà không cần qua bộ khuếch đại nguồn.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã hoàn thành toàn bộ các mục tiêu đề ra với các kết quả định lượng cụ thể:

  • Xác lập được bộ thông số tối ưu để chế tạo màng sợi micro PCL cấu trúc xốp bằng phương pháp electrospinning: nồng độ dung dịch PCL 27% khối lượng trong dung môi Dichloromethane (DCM), điện áp cao áp 15 kV, lưu lượng phun 0,3 ml/h, khoảng cách từ đầu kim đến bản thu 17,5 cm, sử dụng đầu kim kích thước 23G.
  • Thu được màng sợi PCL có cấu trúc xốp rõ rệt trên thân sợi, đường kính sợi phân bố đồng đều trong dải từ $1,38\text{ }\mu\text{m}$ đến $4,13\text{ }\mu\text{m}$.
  • Chế tạo và thử nghiệm thành công thiết bị máy phát điện nano ma sát (TENG) chế độ tiếp xúc - phân tách dọc dựa trên màng sợi micro electrospun PCL xốp và màng convex PDMS.
  • Thiết bị phát điện tốt ở tần số thấp (5 Hz), đạt điện áp hở mạch cực đại 188 V, có khả năng nạp trực tiếp cho tụ điện $2,2\text{ }\mu\text{F}$ và thắp sáng tức thời 6 bóng đèn LED.
Cấu trúc màng PCL Vật liệu tiếp xúc đối kháng Điện thế hở mạch cực đại ($V_{oc}$) Khả năng phát điện ở tần số thấp (5 Hz) Ứng dụng tải thực tế
Màng phẳng PCL (Spin-coating) Convex PDMS $116\text{ V}$ Có tín hiệu điện Không thử nghiệm tải LED
Màng sợi micro PCL cấu trúc xốp (Electrospinning) Convex PDMS $188\text{ V}$ Hiệu suất phát điện cao, tín hiệu ổn định Nạp tụ $2,2\text{ }\mu\text{F}$, thắp sáng trực tiếp 6 bóng đèn LED

Đóng góp khoa học của đề tài thể hiện ở việc kết hợp vật liệu polymer phân hủy sinh học PCL với cấu trúc hình thái xốp micro/nano chế tạo qua electrospinning để ứng dụng làm lớp điện ma sát trong TENG. Bằng việc tận dụng cơ chế bay hơi nhanh của dung môi DCM mà không cần bổ sung các tác nhân tạo lỗ phức tạp, nghiên cứu đã tăng diện tích tiếp xúc ma sát hiệu dụng, giúp tăng 62% điện áp đầu ra so với việc sử dụng màng phẳng PCL truyền thống ($188\text{ V}$ so với $116\text{ V}$). Kết quả này khẳng định tính khả thi của việc sử dụng polymer phân hủy sinh học nhằm thay thế các vật liệu màng nhân tạo khó phân hủy trong các thiết bị thu nhận năng lượng cơ học môi trường.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận thẳng thắn phản ánh các hạn chế kỹ thuật phát sinh trong phạm vi nghiên cứu thực nghiệm:

  • Chưa khảo sát độ bền mỏi cơ học và độ suy giảm tín hiệu điện thế của màng sợi PCL qua hàng chục nghìn chu kỳ va đập liên tục trong thời gian dài.
  • Tác động của các yếu tố môi trường thực tế (độ ẩm tương đối RH, nhiệt độ môi trường xung quanh) đối với hiệu suất phát điện của màng sợi xốp chưa được kiểm soát và định lượng chi tiết trong quá trình đo đạc.
  • Nghiên cứu chưa đo đạc tốc độ phân hủy sinh học thực tế của màng sợi PCL sau khi vận hành trong môi trường đất hoặc dung dịch sinh lý mô phỏng.

Các hướng phát triển tiếp theo được đề xuất từ kết quả của khóa luận:

  • Nghiên cứu phối trộn PCL với các phụ gia nano dẫn điện hoặc vật liệu tăng cường điện tích bề mặt (như Graphene Oxide, MXene) nhằm tiếp tục nâng cao mật độ điện tích ma sát.
  • Khảo sát quá trình phân hủy sinh học in-vitro và in-vivo của thiết bị TENG để định hướng ứng dụng trong các thiết bị y tế cấy ghép tạm thời và cảm biến sinh học tự cấp nguồn.
  • Thiết kế tích hợp màng sợi PCL cấu trúc xốp vào các cấu trúc dệt may thông minh hoặc lót giày để thu nhận năng lượng từ chuyển động tự nhiên của con người.

Giá trị tham khảo

Khóa luận tốt nghiệp này là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Công nghệ Vật liệu, Kỹ thuật Hóa học, Vật lý Ứng dụng, Kỹ thuật Y sinh và Cơ điện tử:

  • Quy trình công nghệ electrospinning: Bảng thông số khảo sát đa yếu tố (nồng độ, dung môi, lưu lượng, điện thế, khoảng cách, cỡ kim) cung cấp dữ liệu tham khảo trực tiếp cho các nghiên cứu chế tạo màng sợi polymer xốp.
  • Quy trình bóc tách màng phẳng: Kỹ thuật sử dụng lớp đệm PSS tan trong nước để tách màng PCL mỏng ra khỏi đế kim loại là giải pháp thực nghiệm hữu ích cho các nghiên cứu tạo màng độc lập không bị rách hỏng.
  • Mô hình đo đạc tính chất điện TENG: Phương pháp ghép nối thiết bị đo hiện sóng Oscilloscope, mạch nạp tụ điện và thử nghiệm thắp sáng linh kiện LED là hướng dẫn thực hành chi tiết cho các đề tài nghiên cứu về máy phát điện nano ma sát tự cấp nguồn.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao dung môi Dichloromethane (DCM) lại tạo được cấu trúc sợi PCL xốp trong khi Chloroform chỉ tạo sợi có bề mặt nhẵn?

Dichloromethane (DCM) có nhiệt độ sôi thấp ($40^\circ\text{C}$) và áp suất hơi cao hơn Chloroform ($T_b = 61,2^\circ\text{C}$). Trong quá trình bay của tia dung dịch dưới điện trường cao, DCM bay hơi rất nhanh trên đường di chuyển từ đầu kim đến bản thu. Tốc độ bay hơi dung môi mãnh liệt gây ra hiện tượng phân tách pha cục bộ và làm đông đặc nhanh bề mặt sợi trước khi chuỗi polymer kịp sắp xếp đặc khít, hình thành nên các vi lỗ xốp trên bề mặt sợi micro. Ngược lại, Chloroform bay hơi chậm hơn, các chuỗi PCL có đủ thời gian để dàn trải và nén chặt, tạo ra sợi có bề mặt nhẵn bóng.

2. Bộ thông số electrospinning tối ưu nhất được khóa luận xác lập là gì và kích thước sợi thu được đạt bao nhiêu?

Bộ thông số tối ưu gồm: dung dịch PCL nồng độ 27% khối lượng hòa tan trong dung môi DCM; điện áp đặt vào là 15 kV; lưu lượng bơm phun dung dịch là 0,3 ml/h; khoảng cách từ đầu kim tới bảng thu nối đất là 17,5 cm; kích thước đầu kim sử dụng là loại 23G. Dưới các điều kiện này, quá trình phun diễn ra theo chế độ Taylor cone-jet ổn định, tạo ra sợi micro PCL có cấu trúc xốp đồng đều với đường kính sợi dao động trong khoảng từ $1,38\text{ }\mu\text{m}$ đến $4,13\text{ }\mu\text{m}$.

3. Phương pháp phân tích FT-IR đã chứng minh được điều gì đối với sợi PCL sau khi kéo sợi bằng electrospinning?

Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) chỉ ra rằng các đỉnh hấp thụ đặc trưng của PCL thô ban đầu (như dao động kéo dãn liên kết carbonyl $\text{C=O}$ ở nhóm ester, dao động kéo dãn liên kết $\text{C-H}$ và liên kết $\text{C-O-C}$) đều xuất hiện nguyên vẹn trên màng sợi sau khi kéo sợi electrospinning mà không xuất hiện thêm pic lạ. Điều này chứng minh rằng điện áp cao thế (15 kV) và quá trình kéo sợi tĩnh điện chỉ làm thay đổi hình thái vật lý mà không phá vỡ liên kết hay làm thay đổi bản chất hóa học của polymer PCL.

4. Hiệu suất phát điện của màng sợi micro PCL xốp cao hơn màng phẳng PCL bao nhiêu và nguyên nhân do đâu?

Khi kết hợp với màng convex PDMS ở cùng tần số 5 Hz trong chế độ tiếp xúc - phân tách dọc, màng sợi micro PCL cấu trúc xốp tạo ra điện thế hở mạch cực đại là 188 V, trong khi màng phẳng PCL chỉ đạt 116 V (màng xốp cao hơn khoảng 62%). Nguyên nhân là do màng sợi micro electrospinning sở hữu tỷ số diện tích bề mặt trên thể tích lớn, cộng thêm các vi lỗ xốp trên bề mặt sợi làm tăng diện tích tiếp xúc thực tế và độ nhám bề mặt. Khi tiếp xúc với các núm lồi của màng convex PDMS, cấu trúc này tạo ra hiệu ứng khóa liên động (interlock), làm tăng mật độ tích tụ điện tích ma sát trên diện tích tiếp xúc.

5. Thiết bị TENG chế tạo từ sợi micro PCL xốp đã được thử nghiệm cấp nguồn cho những tải tiêu thụ điện nào?

Thiết bị TENG chế tạo từ màng sợi micro PCL 27% kl và convex PDMS đã được thử nghiệm nạp điện trực tiếp vào tụ điện có điện dung $2,2\text{ }\mu\text{F}$ thông qua một mạch cầu chỉnh lưu dòng xoay chiều thành một chiều. Đồng thời, thiết bị đã cung cấp điện năng tức thời để thắp sáng trực tiếp 6 bóng đèn LED mắc nối tiếp khi hoạt động dưới tác động cơ học ở tần số thấp mà không cần nguồn cấp bổ trợ bên ngoài.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của nhóm tác giả Vũ Thị Kiều Tiên và Nguyễn Ngọc Tuyền đã nghiên cứu thành công quy trình chế tạo sợi micro Polycaprolactone (PCL) cấu trúc xốp bằng kỹ thuật electrospinning với bộ thông số công nghệ tối ưu (PCL 27% kl trong DCM, 15 kV, 0,3 ml/h, 17,5 cm, kim 23G). Kết quả phân tích hình thái và phổ FT-IR khẳng định sợi thu được có cấu trúc xốp bề mặt rõ rệt, đường kính đồng đều từ $1,38\text{ }\mu\text{m}$ đến $4,13\text{ }\mu\text{m}$ và bảo toàn hoàn toàn cấu trúc hóa học của polymer nền. Khi ứng dụng vào máy phát điện nano ma sát (TENG) kết hợp với màng convex PDMS, màng sợi micro PCL xốp đạt điện thế hở mạch 188 V, vượt trội 62% so với màng phẳng đối chứng và có khả năng thắp sáng 6 bóng đèn LED. Đề tài mở ra tiềm năng ứng dụng vật liệu polymer phân hủy sinh học trong việc phát triển các thiết bị điện tử xanh, tự cấp nguồn thân thiện với môi trường.