Luận văn thạc sĩ kỹ thuật hóa học nghiên cứu tổng hợp silica aerogel từ methyl trimethoxy silane mtms

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật hóa học nghiên cứu quy trình tổng hợp silica aerogel từ methyl trimethoxy silane (MTMS), ứng dụng trong vật liệu cách nhiệt.

• Tác giả: Cao Thị Hồng Oanh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Trường Sơn
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp silica aerogel từ methyl trimethoxy silane (MTMS)
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về silica aerogel và methyl trimethoxy silane MTMS

Silica aerogel là một vật liệu xốp, nhẹ, có tính cách nhiệt cao và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Tuy nhiên, vật liệu này thường dễ vỡ và chi phí sản xuất cao. Methyl trimethoxy silane (MTMS) là một tiền chất quan trọng trong quá trình tổng hợp silica aerogel, giúp cải thiện tính chất cơ học và độ bền của vật liệu. Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp silica aerogel từ MTMS, nhằm giảm chi phí và nâng cao hiệu suất ứng dụng.

1.1. Lịch sử và phân loại aerogel

Aerogel được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1931 bởi Samuel Kistler. Vật liệu này được phân loại thành nhiều loại khác nhau như silica aerogel, aerogel oxit kim loại, và aerogel carbon. Silica aerogel là loại phổ biến nhất, với cấu trúc xốp và diện tích bề mặt lớn, phù hợp cho các ứng dụng cách nhiệt và hấp thụ.

1.2. Tính chất và ứng dụng của silica aerogel

Silica aerogel có độ dẫn nhiệt thấp (0,032-0,037 W/m.K), độ xốp cao (90-99%), và khả năng kỵ nước tốt. Những tính chất này làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho cách nhiệt trong xây dựng, công nghiệp vũ trụ, và các ứng dụng y tế. Nghiên cứu này nhấn mạnh việc sử dụng MTMS để cải thiện tính kỵ nước và độ bền cơ học của silica aerogel.

II. Quy trình tổng hợp silica aerogel từ MTMS

Quy trình tổng hợp silica aerogel từ MTMS bao gồm các bước chính: thủy phân, ngưng tụ, trao đổi dung môi, và sấy đông khô. Phương pháp sol-gel được sử dụng để tạo ra cấu trúc xốp của silica aerogel. Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa tỷ lệ mol giữa MTMS và nước, cũng như ảnh hưởng của pH đến quá trình gel hóa.

2.1. Phương pháp sol gel và cơ chế phản ứng

Phương pháp sol-gel là quá trình chuyển đổi từ dung dịch (sol) sang gel thông qua các phản ứng thủy phân và ngưng tụ. Đối với MTMS, quá trình thủy phân tạo ra các nhóm silanol, sau đó ngưng tụ để hình thành mạng lưới silica. Các yếu tố như pH, nhiệt độ, và tỷ lệ mol ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc và tính chất của silica aerogel.

2.2. Quá trình sấy đông khô

Sấy đông khô là bước quan trọng để loại bỏ dung môi mà không làm phá hủy cấu trúc xốp của silica aerogel. Quá trình này giúp duy trì độ xốp và diện tích bề mặt lớn của vật liệu. Nghiên cứu sử dụng máy sấy đông khô để đảm bảo chất lượng của silica aerogel tổng hợp từ MTMS.

III. Ảnh hưởng của các yếu tố đến tính chất silica aerogel

Nghiên cứu này khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ mol MTMS/H2O, nồng độ poly vinyl alcohol (PVA), và pH đến tính chất của silica aerogel. Kết quả cho thấy, tỷ lệ mol MTMS/H2O ảnh hưởng đến độ bền nén và độ dẫn nhiệt, trong khi PVA cải thiện tính kỵ nước và mô đun đàn hồi của vật liệu.

3.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol MTMS H2O

Tỷ lệ mol MTMS/H2O trong hỗn hợp dung dịch CH3COOH và HCl ảnh hưởng đáng kể đến độ bền nén và độ dẫn nhiệt của silica aerogel. Tỷ lệ mol 1:6 cho kết quả tối ưu về cả độ bền và tính cách nhiệt.

3.2. Ảnh hưởng của PVA

Việc bổ sung PVA vào quy trình tổng hợp giúp cải thiện tính kỵ nước (góc tiếp xúc 124-152°) và mô đun đàn hồi của silica aerogel. Nồng độ PVA 15% cho kết quả tốt nhất về khối lượng riêng và độ xốp của vật liệu.

IV. Ứng dụng và giá trị thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu tổng hợp silica aerogel từ MTMS có giá trị thực tiễn cao trong việc phát triển vật liệu cách nhiệt hiệu quả và tiết kiệm chi phí. Silica aerogel tổng hợp từ MTMS có độ dẫn nhiệt thấp và tính kỵ nước cao, phù hợp cho các ứng dụng trong xây dựng, công nghiệp, và y tế.

4.1. Ứng dụng trong cách nhiệt

Silica aerogel tổng hợp từ MTMS có độ dẫn nhiệt thấp (0,032-0,037 W/m.K), làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng cho cách nhiệt trong các tòa nhà và thiết bị công nghiệp. Nghiên cứu này góp phần giảm chi phí sản xuất và mở rộng ứng dụng của silica aerogel.

4.2. Tiềm năng thị trường

Với tính chất vượt trội và chi phí sản xuất được tối ưu hóa, silica aerogel từ MTMS có tiềm năng lớn trên thị trường vật liệu cách nhiệt. Nghiên cứu này cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển và thương mại hóa vật liệu này.

Nội dung chính

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.

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.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, các nguồn năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt dần và chi phí cho nhiên liệu này ngày càng tăng cao. Với tốc độ tiêu thụ năng lượng hiện tại thì trữ lượng dầu của thế giới được dự báo sẽ cạn kiệt trước năm 2050. Bên cạnh đó, các nguồn năng lượng này còn là một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Trong khi đó, những nguồn năng lượng tái tạo như: mặt trời, gió, sinh khối, thủy triều, địa nhiệt,… lại là những nguồn năng lượng vô tận và “sạch” hơn rất nhiều so với năng lượng không tái tạo.

Rào cản lớn nhất để tiếp cận và khai thác những nguồn năng lượng này chính là công nghệ và chi phí thiết bị đắt hơn so với thiết bị sử dụng nhiên liệu hóa thạch [1]. Việt Nam có điều kiện tự nhiên thuận lợi như: nóng ẩm, mưa nhiều, đất đai phì nhiêu… nên sinh khối phát triển rất nhanh. Do vậy, nguồn phụ phẩm từ nông, lâm nghiệp vô cùng phong phú và ngày càng tăng cùng với sự phát triển của nông, lâm nghiệp. Tuy nhiên, những nguồn phụ phẩm đó lại đang bị coi là rác thải tự nhiên, đang bị bỏ phí hoặc lại chính là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường (như tình trạng đốt rơm rạ ở miền Bắc hoặc đổ trấu xuống sông, kênh rạch ở đồng bằng sông Cửu Long, đốt bỏ mùn cưa tại Yên Bái,…).

Năng lượng sinh khối nằm trong trong chu trình tuần hoàn ngắn, được các tổ chức về phát triển bền vững và môi trường khuyến khích sử dụng. Tận dụng được nguồn nhiên liệu này vừa cung cấp năng lượng cho phát triển kinh tế và đảm bảo bảo vệ môi trường [1]. Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đã khám phá ra rất nhiều vật liệu. Một trong số đó là vật liệu cách nhiệt.

Tuy nhiên, các vật liệu cần phải đạt được rất nhiều đặc tính cực kỳ quan trọng, chẳng hạn như độ dẫn nhiệt thấp, khối lượng riêng thấp, độ xốp cao, diện tích bề mặt lớn và vật liệu mang lại hiệu quả kinh tế. Năm 1932, aerogel được giới thiệu lần đầu tiên bởi Kistler [2]. Nghiên cứu này đóng một vai trò quan trọng trong việc cải thiện và phát triển các vật liệu trong những năm gần đây. Tổng hợp composite silica aerogel là một trong những vật liệu tiềm năng.

1 Ngày nay, vật liệu composite silica aerogel là một trong những vật liệu siêu nhẹ có nhiều ứng dụng trong đời sống. Tuy nhiên, nghiên cứu liên quan đến loại vật liệu này là một số lượng lớn các rắc rối liên quan đến công nghệ, thiết bị hoặc nguồn lực của quy trình tại Việt Nam. Hơn nữa, các nguyên liệu chính đến từ chất thải công nghiệp như tro trấu, mùn cưa, bả mía, v.v… có thể tiết kiệm ngân sách cho nghiên cứu này và làm giảm giá thành sản xuất. Bên cạnh đó, các nguyên liệu thô được sử dụng để giúp giảm thiểu các vấn đề môi trường bị ô nhiễm.

Đồng thời, việc áp dụng phương pháp sấy đông khô cũng giúp tăng hiệu quả quy trình và nâng cao chất lượng sản xuất.Mục tiêu nghiên cứu Các bề mặt siêu kỵ nước có góc tiếp xúc cao > 130○ đã tạo ra rất nhiều lợi ích nghiên cứu cả trong giới học viện và ngành công nghiệp vì khả năng tự làm sạch của chúng. Năm 1997, Barthlott và Neinhuis cho thấy rằng khả năng tự làm sạch của lá sen có được là do hình thái bề mặt đặc biệt và tính chất kỵ nước [7]. Việc chế tạo các lớp phủ kỵ nước là một lĩnh vực thu hút sự nghiên cứu trong những năm gần đây vì các ứng dụng rộng rãi như kính chắn gió ô tô, bề mặt tự làm sạch và tự làm sạch bụi bẩn cho tấm pin mặt trời, vệ tinh, tường xây dựng và kính mái, kính kiến trúc và nhà kính, bề mặt truyền nhiệt trong thiết bị điều hòa không khí,… Ngày nay, các lớp phủ thu được từ phương pháp solgel đã được tìm thấy có ích cho một số ứng dụng chủ yếu do sự tổng hợp dễ dàng, linh hoạt. Mặc dù silica aerogel có rất nhiều đặc tính nổi bật nhưng chúng lại rất dễ vỡ khi có tác động cơ học dù rất nhỏ, điều này đã làm hạn chế khả năng ứng dụng của vật liệu xuất sắc này.

Luận văn này tập trung nghiên cứu tính chất kỵ nước, độ bền nén và độ dẫn nhiệt TCi của composite silica aerogel được tổng hợp từ methyltrimothoxysilane (MTMS), dung dịch natri silicate (từ dịch chiết tro trấu). Ngoài ra, còn sử dụng poly (vinyl alcohol) (PVA) và bông thủy tinh để cải thiện tính chất cơ của composite silica aerogel, hướng đến tạo ra sản phẩm có khả năng hứa hẹn trong việc sản xuất ứng dụng làm vật liệu cách nhiệt (đạt tiêu chuẩn quốc gia  TCVN 7194 : 2002) trong tương lai.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu: Luận văn là một công trình nghiên cứu cơ bản định hướng ứng dụng. Đối tượng nghiên cứu của luận văn là composite silica aerogel. Các kết quả của luận văn đưa ra là một trong những tiền đề, hứa hẹn bổ sung thêm thông tin mới trong lĩnh vực nghiên cứu vật liệu aerogel dùng làm vật liệu cách nhiệt.Những đóng góp mới của luận văn 1) Chế tạo được vật liệu composite silica aerogel bằng phương pháp sol–gel hai bước (xúc tác axitbazơ), trao đổi dung môi, sấy đông khô.

Sản phẩm có độ xốp lớn, tỷ trọng nhẹ, có tính kỵ nước cao, và độ dẫn nhiệt thấp. 2) Nghiên cứu tổng hợp composite silica aerogel từ methyl trimethoxy silane (MTMS) và dung dịch sodium silicate (dịch chiết tro trấu) (góp phần xử lý môi trường), được kết hợp với PVA và bông thủy tinh, cho ứng dụng vật liệu cách nhiệt. 3 Chương 1: TỔNG QUAN 1.Hiện trạng tro trấu ở Việt Nam Việt Nam là một trong những quốc gia có nền sản xuất gạo lớn nhất thế giới (khoảng 50 triệu tấn mỗi năm). Do đó, tạo ra lượng tro trấu khá lớn (khoảng 2 triệu tấn mỗi năm).

Chúng không được sử dụng nhiều mà phần lớn được đốt rồi thải ra sông tiêu hủy. Điển hình là Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) nơi cung cấp 50% sản lượng gạo cho cả nước, đã có khoảng 3 triệu tấn tro trấu mỗi năm nhưng chỉ khoảng 10% được sử dụng làm chất đốt. Các nhà máy xay xát ở đây đã thẳng tay đổ tro trấu xuống sông, rạch. Trấu trôi lềnh bềnh khắp nơi ,chìm xuống đáy gây ô nhiễm nguồn nước.

Ở An Giang có khoảng 700 nghìn tấn tro trấu mỗi năm và lại được sử dụng lãng phí vào việc làm chất đốt để nấu ăn và thải vào các dòng sông ảnh hưởng đến sinh hoạt của người dân. Đi dọc một số bờ sông ở quận Ô Môn, huyện Thới Lai, huyện Cờ Đỏ của thành phố Cần Thơ như sông Thị Đội, sông Ngang. sẽ thấy rất nhiều vỏ trấu trôi trên mặt sông. Bờ sông ngập một màu vàng của vỏ trấu.

Nước sông ở những đoạn này vốn đã ô nhiễm, giờ quyện với mùi vỏ trấu phân hủy tạo nên một hương vị rất khó chịu. Chính vì lượng tro trấu thải ra như vậy đã ảnh hưởng rất lớn đến sinh hoạt của người dân và ghe thuyền qua lại, gây ô nhiễm nguồn nước nặng. Lượng vỏ trấu quá nhiều, không còn chỗ chứa thì cách duy nhất là đổ ra sông để nước cuốn trôi. Vì thế cần biết các công dụng của vỏ trấu để sử dụng đúng cách nếu không vỏ trấu sẽ trở thành tác nhân gây nên ô nhiễm môi trường làm ảnh hưởng đến đời sống của người dân sống xung quanh khu vực đó [28].Thành phần của tro trấu Vỏ trấu chiếm khoảng 20% trọng lượng hạt lúa, sau khi cháy các thành phần hữu cơ sẽ chuyển hóa thành tro chứa các thành phần oxit kim loại.

Silic oxit là chất có tỷ lệ phần trăm về khối lượng cao nhất trong tro trấu, chiếm khoảng 80-90%. Vì vậy, sử dụng tro trấu là nguồn nguyên liệu điều chế SiO2 đã và đang được rất nhiều sự quan tâm nghiên cứu [27].1: Thành phần tro trấu Tỷ lệ theo khối lượng (%) Tỷ lệ theo khối lượng (%) SiO2 80-90 Al2O3 1-2,5 K2 O 0,2 CaO 1-2 Na2O 0,2-0,5 SiO2 được sử dụng trong đời sống sản xuất rất phổ biến. Nếu tận dụng được nguồn SiO2 sẽ có ý nghĩa rất lớn. Sẽ không cần phải nhập khẩu SiO2 và vấn đề ô nhiễm môi trường từ tro trấu cũng được cải thiện phần nào.Tổng quan về aerogel 1.Aerogel là gì? Có thể mường tượng vật liệu aerogel là một dạng vật liệu gel (một trạng thái, trong đó mạng lưới chất rắn chứa các thành phần chất lỏng kết dính với nhau), thành phần lỏng của gel sẽ được thay thế bởi thành phần khí.

Kết quả làm cho sản phẩm gel có được là một chất rắn, chứa hơn 90% không khí nên rất nhẹ, khối lượng riêng thấp và cách nhiệt. Nó còn có các tên khác như là khói đóng băng, không khí rắn, khối rắn [5].Lịch sử tìm ra aerogel Sự ra đời của aerogel bắt nguồn từ một câu chuyện được kể lại vào cuối những năm 1920, khi Samuel Kistler (1900-1975), giáo sư hóa học người Mỹ đã đánh cược với đồng nghiệp của mình là Charles Learned rằng “có tồn tại một loại gel không lỏng ?”. Bằng sự kiên trì và quyết tâm của mình, sau nhiều thử nghiệm và gặp không ít thất bại, cuối cùng Kistler đã tìm ra một loại gel ở trạng thái khí (không phải trạng thái lỏng), một loại gel mới chưa từng được biết đến, thậm chí chưa một ai tưởng tượng ra nó. Ông đã trở thành người đầu tiên thay thế được trạng thái lỏng của gel thành trạng thái khí, và đặt tên cho nó là "aerogel".

Năm 1931, ông đã công bố phát hiện của mình trong bài viết "Coherent expanded aerogels and Jellies", đăng trên tạp chí khoa học 5 Nature. Có lẽ ông cũng không ngờ, những năm sau này, vật liệu dạng aerogel đã và đang tạo ra cuộc cách mạng các sản phẩm trong tương lai, từ máy giặt đến các phi thuyền không gian. Ông đã tìm ra aerogel như thế nào? Ban đầu, ông tạo ra trong môi trường gel một nhiệt độ và áp suất đạt đến điểm tới hạn  ở mức mà không có sự khác biệt nhiều giữa chất lỏng và chất khí. Tiếp đến, giữ nguyên mức nhiệt độ ở điểm tới hạn, giảm từ từ áp suất.

Khi áp suất giảm, các phân tử được giải phóng dưới dạng khí và lỏng với mật độ không quá dày đặc. Bước tiếp theo là làm lạnh. Trước khi làm lạnh, sẽ có một lượng rượu nhỏ được ngưng tụ lại thành chất lỏng, sau đó sẽ được chuyển thành dạng hơi như ban đầu [5].