Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam là một trong những quốc gia sản xuất gạo lớn nhất thế giới với sản lượng khoảng 50 triệu tấn mỗi năm, tạo ra khoảng 2 triệu tấn tro trấu hàng năm. Tuy nhiên, phần lớn tro trấu này chưa được tận dụng hiệu quả mà thường bị đốt hoặc thải ra môi trường, gây ô nhiễm nghiêm trọng, đặc biệt tại các vùng đồng bằng sông Cửu Long. Tro trấu chứa đến 80-90% silic oxit (SiO2) theo khối lượng, là nguồn nguyên liệu tiềm năng để sản xuất silica aerogel – một loại vật liệu siêu nhẹ, có khả năng cách nhiệt vượt trội. Aerogel silica được biết đến với độ xốp cao, khối lượng riêng thấp và độ dẫn nhiệt chỉ khoảng 0,032-0,037 W/m.K, hứa hẹn ứng dụng rộng rãi trong ngành xây dựng và cách nhiệt.

Nghiên cứu tập trung vào tổng hợp composite silica aerogel từ methyl trimethoxy silane (MTMS) kết hợp với dung dịch sodium silicate chiết xuất từ tro trấu, poly vinyl alcohol (PVA) và bông thủy tinh nhằm cải thiện tính kỵ nước, độ bền cơ học và giảm chi phí sản xuất. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2018-2019. Mục tiêu chính là khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol MTMS/nước, nồng độ PVA và các điều kiện xúc tác axit-bazơ đến các đặc tính cơ lý và nhiệt của composite aerogel, hướng đến ứng dụng làm vật liệu cách nhiệt đạt tiêu chuẩn quốc gia TCVN 7194:2002.

Việc tận dụng tro trấu không chỉ góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra vật liệu cách nhiệt hiệu quả, thân thiện với môi trường và có giá thành hợp lý. Nghiên cứu này đóng góp quan trọng trong việc phát triển công nghệ sản xuất aerogel silica tại Việt Nam, mở ra hướng đi mới cho ngành vật liệu xây dựng và bảo vệ môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Phương pháp sol–gel: Quá trình tổng hợp silica aerogel thông qua thủy phân và ngưng tụ các tiền chất alkoxysilane như MTMS, tạo thành mạng lưới gel silica. Phản ứng xúc tác axit-bazơ điều chỉnh cấu trúc vi mô và thời gian gel hóa, ảnh hưởng đến tính chất vật liệu cuối cùng.

  • Cơ chế phát triển cấu trúc gel: Dưới điều kiện xúc tác axit, các hạt silica phát triển thành polymer mạch nhánh, trong khi xúc tác bazơ tạo thành các cụm phân nhánh riêng biệt. Tỷ lệ mol nước/MTMS và pH dung dịch ảnh hưởng đến kích thước lỗ xốp và độ bền của gel.

  • Tính chất vật liệu aerogel: Bao gồm độ xốp, khối lượng riêng, độ dẫn nhiệt, tính kỵ nước (góc tiếp xúc > 130°), mô đun đàn hồi và khả năng chịu nhiệt. Việc bổ sung PVA và bông thủy tinh giúp cải thiện tính cơ học và tính kỵ nước của composite aerogel.

  • Phương pháp sấy đông khô (freeze drying): Loại bỏ dung môi trong gel bằng cách thăng hoa, tránh hiện tượng co ngót và nứt gãy do sức căng bề mặt, giữ nguyên cấu trúc xốp của aerogel.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu chính gồm MTMS, dung dịch sodium silicate chiết xuất từ tro trấu, dung dịch poly vinyl alcohol (PVA) với các nồng độ khác nhau (5%, 10%, 15%) và bông thủy tinh. Tro trấu được xử lý tiền chất để chiết xuất sodium silicate.

  • Quy trình tổng hợp: Sử dụng phương pháp sol–gel hai bước xúc tác axit-bazơ, kết hợp trao đổi dung môi và sấy đông khô để tạo composite silica aerogel. Các tỷ lệ mol MTMS/nước và pH dung dịch được điều chỉnh để khảo sát ảnh hưởng đến tính chất vật liệu.

  • Phương pháp phân tích: Đặc tính vật liệu được đánh giá bằng các kỹ thuật hiện đại như SEM (kính hiển vi điện tử quét) để quan sát cấu trúc bề mặt, BET để đo diện tích bề mặt riêng, XRD để xác định cấu trúc tinh thể, TGA-DSC để phân tích độ bền nhiệt, TCi để đo độ dẫn nhiệt, và đo góc tiếp xúc để đánh giá tính kỵ nước. Mô đun đàn hồi và khối lượng riêng cũng được xác định theo tiêu chuẩn.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu composite được tổng hợp với các biến đổi về tỷ lệ mol MTMS/nước, nồng độ PVA và pH để đánh giá ảnh hưởng từng yếu tố. Mỗi điều kiện được thực hiện ít nhất 3 lần để đảm bảo tính lặp lại và độ tin cậy của kết quả.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 8/2018 đến tháng 6/2019, bao gồm giai đoạn tổng hợp, xử lý mẫu, phân tích đặc tính và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng tỷ lệ mol MTMS/nước đến mô đun đàn hồi và độ dẫn nhiệt: Khi tỷ lệ mol MTMS/nước tăng từ 1:5 đến 1:7, mô đun đàn hồi của silica aerogel tăng từ khoảng 0,15 MPa lên 0,35 MPa, trong khi độ dẫn nhiệt giảm nhẹ từ 0,037 W/m.K xuống 0,032 W/m.K. Điều này cho thấy tỷ lệ mol nước cao hơn giúp cải thiện cấu trúc gel, tăng độ bền cơ học và giảm khả năng truyền nhiệt.

  2. Ảnh hưởng pH đến thời gian gel hóa và cấu trúc: Ở pH axit (khoảng 2-3), thời gian gel hóa kéo dài hơn 48 giờ, tạo ra mạng lưới silica mạch nhánh đồng nhất. Trong khi đó, pH bazơ (khoảng 8-9) rút ngắn thời gian gel hóa xuống dưới 24 giờ nhưng dẫn đến cấu trúc gel kém đồng đều, ảnh hưởng tiêu cực đến tính chất cơ học.

  3. Tác động của nồng độ PVA đến tính chất composite: Việc bổ sung PVA với nồng độ 15% làm tăng đáng kể mô đun đàn hồi composite silica aerogel lên đến 0,5 MPa, tăng khối lượng riêng từ 0,12 g/cm³ lên 0,18 g/cm³ và giảm độ xốp từ 95% xuống 88%. Góc tiếp xúc nước cũng tăng từ 124° lên 152°, chứng tỏ tính kỵ nước được cải thiện rõ rệt. Độ dẫn nhiệt của composite giữ ở mức thấp 0,033 W/m.K, phù hợp cho ứng dụng cách nhiệt.

  4. Hiệu quả của bông thủy tinh trong composite: Sự kết hợp bông thủy tinh giúp tăng cường độ bền cơ học và ổn định cấu trúc aerogel, đồng thời duy trì tính kỵ nước và độ dẫn nhiệt thấp. Mẫu composite có bông thủy tinh và PVA thể hiện mô đun đàn hồi cao hơn 20% so với mẫu không có bông thủy tinh.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy tỷ lệ mol MTMS/nước và pH dung dịch là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của silica aerogel. Tỷ lệ mol nước cao giúp thủy phân và ngưng tụ hoàn toàn, tạo mạng lưới gel chắc chắn hơn, đồng thời giảm độ dẫn nhiệt nhờ cấu trúc lỗ xốp nhỏ và đồng đều. pH axit kéo dài thời gian gel hóa, tạo điều kiện cho mạng silica phát triển mạch nhánh, tăng độ bền cơ học.

Việc bổ sung PVA làm tăng liên kết hydro và tương tác hóa học với mạng silica, cải thiện đáng kể tính cơ học và tính kỵ nước của composite. Bông thủy tinh đóng vai trò gia cường cơ học, giúp composite chịu được ứng suất nén cao hơn mà không bị vỡ vụn. Các kết quả này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về composite aerogel, đồng thời chứng minh hiệu quả của việc sử dụng nguyên liệu từ tro trấu và vật liệu phụ gia trong điều kiện nghiên cứu tại Việt Nam.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ mô đun đàn hồi và độ dẫn nhiệt theo tỷ lệ mol MTMS/nước, bảng so sánh tính chất vật liệu với các nồng độ PVA khác nhau, cùng hình ảnh SEM minh họa cấu trúc bề mặt và phân bố lỗ xốp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa tỷ lệ mol MTMS/nước và pH dung dịch: Khuyến nghị sử dụng tỷ lệ mol MTMS/nước khoảng 1:6 đến 1:7 và pH axit từ 2 đến 3 để đạt được sự cân bằng tối ưu giữa độ bền cơ học và khả năng cách nhiệt. Thời gian gel hóa nên duy trì khoảng 48 giờ để đảm bảo cấu trúc gel đồng nhất.

  2. Ứng dụng PVA với nồng độ 10-15% trong composite: Đề xuất bổ sung poly vinyl alcohol trong khoảng nồng độ này để cải thiện tính kỵ nước và mô đun đàn hồi, đồng thời giữ độ xốp và độ dẫn nhiệt ở mức thấp. Thời gian thực hiện bổ sung PVA nên được kiểm soát trong giai đoạn sol–gel để đảm bảo phân bố đồng đều.

  3. Sử dụng bông thủy tinh làm vật liệu gia cường: Khuyến khích kết hợp bông thủy tinh trong composite để tăng cường độ bền cơ học, đặc biệt trong các ứng dụng chịu lực hoặc cách nhiệt công nghiệp. Chủ thể thực hiện là các nhà sản xuất vật liệu xây dựng và phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu.

  4. Áp dụng phương pháp sấy đông khô quy mô công nghiệp: Đề xuất đầu tư và phát triển thiết bị sấy đông khô nhằm giảm chi phí sản xuất và nâng cao chất lượng aerogel silica. Thời gian hoàn thiện quy trình sấy đông khô nên được tối ưu để tăng năng suất mà vẫn giữ nguyên cấu trúc vật liệu.

  5. Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục về vật liệu composite từ nguyên liệu tái chế: Đề nghị các viện nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác phát triển các loại composite aerogel từ nguồn nguyên liệu nông nghiệp như tro trấu, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế tuần hoàn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật hóa học, vật liệu: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp và đặc tính của silica aerogel composite, phương pháp sol–gel và sấy đông khô, phù hợp cho nghiên cứu phát triển vật liệu mới.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng và cách nhiệt: Thông tin về quy trình tổng hợp composite aerogel từ nguyên liệu tái chế và các đặc tính vật liệu giúp doanh nghiệp ứng dụng công nghệ mới, giảm chi phí và nâng cao chất lượng sản phẩm.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và phát triển bền vững: Nghiên cứu khai thác hiệu quả nguồn tro trấu, giảm thiểu ô nhiễm môi trường, đồng thời phát triển vật liệu thân thiện với môi trường, hỗ trợ chính sách phát triển năng lượng tái tạo và vật liệu xanh.

  4. Các nhà thiết kế và kỹ sư công trình xây dựng: Thông tin về tính năng cách nhiệt, độ bền và tính kỵ nước của composite silica aerogel giúp lựa chọn vật liệu phù hợp cho các công trình tiết kiệm năng lượng và bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Silica aerogel là gì và có đặc điểm nổi bật nào?
    Silica aerogel là vật liệu siêu nhẹ, chứa hơn 90% không khí, có khối lượng riêng rất thấp (khoảng 1 mg/cm³) và khả năng cách nhiệt vượt trội với độ dẫn nhiệt chỉ khoảng 0,032-0,037 W/m.K. Nó còn có tính kỵ nước cao và độ xốp lớn, thích hợp cho nhiều ứng dụng cách nhiệt và cách âm.

  2. Tại sao sử dụng tro trấu làm nguyên liệu sản xuất silica aerogel?
    Tro trấu chứa 80-90% silic oxit, là nguồn nguyên liệu phong phú, giá rẻ và tái tạo được tại Việt Nam. Việc sử dụng tro trấu giúp giảm chi phí sản xuất, tận dụng phụ phẩm nông nghiệp, đồng thời giảm ô nhiễm môi trường do việc đốt hoặc thải tro trấu không kiểm soát.

  3. Phương pháp sol–gel có ưu điểm gì trong tổng hợp aerogel?
    Phương pháp sol–gel đơn giản, kinh tế, cho phép kiểm soát cấu trúc vật liệu ở cấp độ nano, tạo ra vật liệu đồng nhất với độ tinh khiết cao. Nó cũng cho phép kết hợp các chất phụ gia để cải thiện tính chất vật liệu như độ bền cơ học và tính kỵ nước.

  4. Tại sao cần bổ sung PVA và bông thủy tinh vào composite aerogel?
    PVA giúp tăng cường liên kết hydro, cải thiện độ bền cơ học và tính kỵ nước của aerogel. Bông thủy tinh gia cường cấu trúc, tăng khả năng chịu lực và ổn định vật liệu, đồng thời duy trì độ dẫn nhiệt thấp, phù hợp cho ứng dụng cách nhiệt.

  5. Phương pháp sấy đông khô có lợi thế gì so với các phương pháp khác?
    Sấy đông khô loại bỏ dung môi bằng cách thăng hoa, tránh hiện tượng co ngót và nứt gãy do sức căng bề mặt trong quá trình sấy. Phương pháp này giữ nguyên cấu trúc xốp của aerogel, giảm tỷ lệ sụp đổ cấu trúc, chi phí thấp hơn so với sấy siêu tới hạn và phù hợp cho sản xuất quy mô công nghiệp.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công composite silica aerogel từ MTMS, dung dịch sodium silicate chiết xuất từ tro trấu, PVA và bông thủy tinh bằng phương pháp sol–gel xúc tác axit-bazơ kết hợp sấy đông khô.
  • Composite aerogel đạt độ xốp cao, khối lượng riêng thấp, tính kỵ nước với góc tiếp xúc từ 124° đến 152°, mô đun đàn hồi lên đến 0,5 MPa và độ dẫn nhiệt thấp 0,032-0,037 W/m.K.
  • Việc sử dụng nguyên liệu tro trấu góp phần giảm chi phí sản xuất và xử lý môi trường hiệu quả.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu cách nhiệt thân thiện môi trường, phù hợp ứng dụng trong xây dựng và công nghiệp.
  • Đề xuất tiếp tục tối ưu quy trình tổng hợp, mở rộng ứng dụng và phát triển công nghệ sấy đông khô quy mô công nghiệp.

Hành động tiếp theo: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai thử nghiệm ứng dụng composite silica aerogel trong các công trình thực tế, đồng thời nghiên cứu mở rộng các loại phụ gia cải thiện tính năng vật liệu. Đầu tư phát triển thiết bị sấy đông khô quy mô lớn để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.