Nghiên cứu tổng hợp vật liệu từ polysiloxane nối mạng thuận nghịch dưới tác động nhiệt

• Tác giả: Nguyễn Thị Mai Ly
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thị Lệ Thu
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu
• Đề tài: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu từ polysiloxane nối mạng thuận nghịch dưới tác động nhiệt
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI CÁM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
• LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
• 2.1. Polyme tự lành
• 2.2. Các cơ chế tự lành
• 2.2.1. Tự lành theo cơ chế thuận nghịch
• 2.2.1.1. Diels – Alder (DA)
• 2.2.1.2. Liên kết Hydro
• 2.2.1.3. Tương tác liên kết kim loại – ligand
• 3. CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM
• 3.1. Các thiết bị, phương pháp phân tích và đánh giá
• 3.1.1. Phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân (1H NMR)
• 3.1.2. Phương pháp quang phổ hồng ngoại phản xạ tắt dần (ATR- IR)
• 3.1.3. Phương pháp phân tích nhiệt quét vi sai (DSC)
• 3.1.4. Cơ tính thông qua độ bền kéo
• 3.1.5. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 3.1.6. Phương pháp kính hiển vi quang học
• 3.1.7. Phương pháp đo tổng trở ăn mòn điện hóa (EIS)
• 3.2. Tổng hợp tiền chất furfuryl-BYK bằng phản ứng thiol-acrylate
• 3.3. Tổng hợp DA-BYK bằng phản ứng Diels-Alder
• 3.4. Chế tạo vật liệu polyme nối mạng DA-PDMS
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 4.1. Đánh giá kết quả tổng hợp furfuryl-BYK và DA-BYK
• 4.2. Kết quả đánh giá của BYK-UV-3570
• 4.3. Kết quả phổ cộng hưởng từ hạt nhân (1H NMR)
• 4.4. Kết quả phổ hồng ngoại (FT-IR)
• 4.5. Đánh giá kết quả tạo vật liệu polyme nối mạng DA-PDMS
• 4.6. Kết quả phổ hồng ngoại (ATR-IR)
• 4.7. Kết quả phân tích nhiệt quét vi sai (DSC)
• 4.8. Kết quả đánh giá tự lành
• 4.9. Kết quả đánh giá nhớ hình
• 4.10. Kết quả đánh giá tự lành thông qua hình ảnh hiển vi và SEM
• 4.11. Kết quả đánh giá tự lành thông qua hồi phục độ bền kéo
• 4.12. Kết quả đo tổng trợ ăn mòn điện hóa (EIS)
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

I. Tổng quan vật liệu Polysiloxane nối mạng Nghiên cứu tiềm năng

Vật liệu polyme dễ bị tổn thương, từ vết xước nhỏ đến nứt gãy nghiêm trọng. Tìm kiếm giải pháp tự phục hồi luôn là thách thức lớn. Lấy cảm hứng từ khả năng tự chữa lành vết thương của sinh vật, các nhà nghiên cứu đã tạo ra vật liệu có khả năng tự lành bằng cách kết hợp tác nhân chữa lành vào cấu trúc polyme, như liên kết thuận nghịch hoặc các loại siêu phân tử có thể đảo ngược. Trong các nghiên cứu về liên kết thuận nghịch, liên kết cộng hóa trị Diels-Alder (DA) thu hút sự quan tâm lớn. Đặc biệt, phản ứng cộng vòng DA cảm ứng nhiệt của nhóm furan và maleimide thường xảy ra ở nhiệt độ thấp (dưới 90°C) và phân ly (retro-DA) ở nhiệt độ cao (110-130°C), là phản ứng hiệu quả và được nghiên cứu nhiều nhất cho polyme có khả năng chữa lành nội tại.

1.1. Ứng dụng tiềm năng của vật liệu Polysiloxane tự lành

Vật liệu polysiloxane tự lành hứa hẹn ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực đòi hỏi độ bền cao, khả năng chống chịu và tuổi thọ dài. Ứng dụng tiềm năng bao gồm: lớp phủ bảo vệ cho thiết bị điện tử, vật liệu xây dựng tự phục hồi, keo dán tự lành, và đặc biệt, trong lĩnh vực y sinh, nơi tính tương thích sinh học và khả năng tự phục hồi là yếu tố then chốt. Nghiên cứu và phát triển vật liệu tự phục hồi sẽ giảm thiểu chi phí bảo trì, kéo dài tuổi thọ sản phẩm và giảm tác động tiêu cực đến môi trường.

1.2. Lịch sử phát triển vật liệu Polysiloxane nối mạng thuận nghịch

Nghiên cứu về polysiloxane nối mạng thuận nghịch có lịch sử phát triển đầy hứa hẹn. Các nhà khoa học đã khám phá nhiều loại liên kết thuận nghịch như liên kết Diels-Alder, liên kết disulfide, liên kết hydrogen và phản ứng trao đổi. Mỗi loại liên kết mang lại đặc tính và ứng dụng riêng, mở ra hướng đi đa dạng cho việc phát triển vật liệu thông minh. Nghiên cứu gần đây tập trung vào việc tối ưu hóa tính chất cơ học, khả năng tự phục hồi và tính linh hoạt của vật liệu, hướng đến ứng dụng thực tế.

II. Thách thức Độ bền cơ học và tính linh động của Polysiloxane

Đối với các hệ này, thường có mối quan hệ nghịch đảo giữa độ bền cơ học và tính linh động cao của các liên kết thuận nghịch cần thiết để hồi phục hiệu quả. Đây là một vấn đề nan giải cản trở tiến trình hướng tới các vật liệu polyme dựa trên DA có độ bền cơ học cao. Trước đây, các nhà khoa học đã sử dụng cấu trúc pha cứng và pha mềm của polyurethan (PU) và kết hợp các liên kết DA vào trong pha cứng, nhằm nâng cao cơ tính cho hệ, tuy nhiên hệ này sẽ có độ linh động hạn chế.

2.1. Giải pháp tăng cường tính linh động liên kết Diels Alder DA

Để tăng cường sự chuyển động phân tử của các liên kết DA, một số phương pháp đã được áp dụng, bao gồm phân ly trước các liên kết DA (bằng phản ứng retro-DA) thông qua gia nhiệt ở ∼110−180 °C sau đó tái liên kết DA ở nhiệt độ thấp hơn. Tuy nhiên, các phản ứng phụ như oxy hóa nhóm furan và đồng trùng hợp maleimide có thể xảy ra trong thời gian chữa lành kéo dài ở nhiệt độ cao.

2.2. Hạn chế của phương pháp nhiệt trong phục hồi Polysiloxane

Mặc dù phương pháp gia nhiệt để kích hoạt phản ứng retro-DA và tái liên kết DA là hiệu quả, nhưng nó tồn tại những hạn chế. Nhiệt độ cao có thể gây ra các phản ứng phụ không mong muốn, ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu. Do đó, cần có các phương pháp khác để đạt được khả năng chữa lành của vật liệu nối mạng DA mà không làm ảnh hưởng đến tính chất nhiệt của hệ. Việc nghiên cứu các phương pháp kích thích khác như ánh sáng hoặc sóng siêu âm là hướng đi đầy tiềm năng.

III. Phương pháp tổng hợp vật liệu Polysiloxane nối mạng tối ưu

Để giải quyết vấn đề đó, luận văn này trình bày nghiên cứu tổng hợp một loại polyme mới nhiệt rắn urethane (DA-PDMS nối mạng) đi từ polydimethylsiloxane (PDMS) chứa các liên kết nối mạng có khả năng thuận nghịch dưới tác động nhiệt và có hiệu quả chữa lành cao thông qua liên kết thuận nghịch Diels-Alder. Hệ vật liệu thu được bằng quy trình đơn giản kết hợp giữa phản ứng cộng thiol-acrylate và phản ứng Diel-Alder. Vật liệu này có cấu trúc đa pha, kết hợp của sự xếp chặt của liên kết hydro của các nhóm urethane mang lại cho vật liệu cơ tính tốt cùng với sự có mặt của mạch polydimethylsiloxane (PDMS) mềm dẻo cao tạo sự thuận lợi cho chuyển động của liên kết DA trong mạng PU.

3.1. Kết hợp phản ứng Thiol Acrylate và Diels Alder Cách tiếp cận

Việc kết hợp phản ứng cộng thiol-acrylate và phản ứng Diels-Alder (DA) là chìa khóa để tổng hợp vật liệu polysiloxane nối mạng có khả năng tự phục hồi. Phản ứng thiol-acrylate giúp gắn các nhóm chức năng (ví dụ: furan) lên mạch PDMS, tạo tiền chất cho phản ứng DA. Phản ứng DA sau đó tạo liên kết chéo thuận nghịch, mang lại khả năng tự phục hồi dưới tác động của nhiệt.

3.2. Ưu điểm của cấu trúc đa pha trong vật liệu Polysiloxane

Cấu trúc đa pha của vật liệu polysiloxane mang lại sự kết hợp độc đáo giữa các tính chất. Pha cứng (ví dụ: urethane) đóng vai trò tăng cường độ bền cơ học, trong khi pha mềm (PDMS) mang lại tính linh hoạt và khả năng phục hồi. Sự tương tác giữa các pha này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa khả năng tự phục hồi và độ bền của vật liệu.

3.3. Vai trò của PDMS trong tính linh động của liên kết DA

Polydimethylsiloxane (PDMS) đóng vai trò then chốt trong việc tăng cường tính linh động của các liên kết DA. Bản chất mềm dẻo của PDMS cho phép các phân đoạn polyme di chuyển dễ dàng hơn, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tái liên kết DA khi vật liệu bị hư hỏng. Điều này giúp cải thiện đáng kể khả năng tự phục hồi của vật liệu.

IV. Vật liệu Polysiloxane thông minh Nhớ hình và khả năng phục hồi

Các polyme đi từ polysiloxane có tính ổn định sinh học và không độc hại, đồng thời có các đặc tính độc đáo như tính linh hoạt và tính kỵ nước cao cũng như khả năng tương thích sinh học, do đó đã được khai thác sử dụng trong một số hệ vật liệu tự lành. Ngoài ra, mạng liên kết này còn được tích hợp khả năng nhớ hình bằng cách kết hợp các phân đoạn polycaprolactone (PCL). Khả năng phục hồi phục hình dạng thông qua việc bắt đầu quá trình chuyển đổi nóng chảy của pha tinh thể PCL đã được nghiên cứu trong các vật liệu tự lành giúp cho các bề mặt vết nứt tiếp xúc chặt chẽ hỗ trợ quá trình chữa lành.

4.1. Tích hợp khả năng nhớ hình vào mạng liên kết Polysiloxane

Việc tích hợp khả năng nhớ hình vào mạng liên kết polysiloxane mở ra ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực vật liệu thông minh. Bằng cách kết hợp các phân đoạn như polycaprolactone (PCL), vật liệu có thể ghi nhớ hình dạng ban đầu và trở về hình dạng đó khi được kích thích (ví dụ: bằng nhiệt). Điều này có thể được ứng dụng trong các thiết bị y sinh, robot mềm và các ứng dụng khác.

4.2. Polycaprolactone PCL Thành phần quan trọng cho nhớ hình

Polycaprolactone (PCL) đóng vai trò quan trọng trong việc tạo khả năng nhớ hình cho vật liệu polysiloxane. Quá trình chuyển đổi nóng chảy của pha tinh thể PCL khi được gia nhiệt cho phép vật liệu phục hồi hình dạng ban đầu. Việc lựa chọn và tối ưu hóa tỷ lệ PCL trong vật liệu là yếu tố quan trọng để đạt được hiệu quả nhớ hình mong muốn.

V. Ứng dụng thực tế của vật liệu Polysiloxane tự phục hồi Nghiên cứu

Với những đề cập trên, mục tiêu mà luận văn hướng tới là “ Nghiên cứu tổng hợp vật liệu từ polysiloxane nối mạng thuận nghịch dưới tác động nhiệt”. Vật liệu polysiloxane tự phục hồi hứa hẹn ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực đòi hỏi độ bền, khả năng chống chịu và tuổi thọ cao. Nghiên cứu tập trung vào ứng dụng trong y sinh, điện tử, chất kết dính, tận dụng tính tương thích sinh học, linh hoạt và khả năng tự lành.

5.1. Ứng dụng trong lĩnh vực y sinh Vật liệu Polysiloxane

Trong lĩnh vực y sinh, vật liệu polysiloxane tự phục hồi có tiềm năng lớn trong việc tạo ra các thiết bị cấy ghép có tuổi thọ cao hơn, giảm nguy cơ hỏng hóc và cần phải phẫu thuật thay thế. Khả năng tự lành của vật liệu cũng có thể giúp cải thiện khả năng tích hợp của thiết bị với mô sinh học, giảm thiểu phản ứng viêm nhiễm.

5.2. Ứng dụng trong lĩnh vực điện tử và chất kết dính

Trong lĩnh vực điện tử, vật liệu polysiloxane tự phục hồi có thể được sử dụng để tạo ra các lớp phủ bảo vệ cho thiết bị điện tử, giúp kéo dài tuổi thọ của thiết bị và giảm thiểu tác động của môi trường. Trong lĩnh vực chất kết dính, khả năng tự lành có thể giúp duy trì độ bám dính của keo trong thời gian dài, ngay cả khi có sự xuất hiện của vết nứt hoặc hư hỏng.

5.3. Đánh giá hiệu quả tự lành thông qua phương pháp EIS

Hiệu quả tự lành của vật liệu polysiloxane có thể được đánh giá thông qua nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử quét (SEM), đo độ bền kéo và đặc biệt, phương pháp đo tổng trở ăn mòn điện hóa (EIS). Phương pháp EIS cho phép đánh giá định lượng khả năng phục hồi tính chất điện hóa của vật liệu sau khi bị hư hỏng, cung cấp thông tin quan trọng về hiệu quả tự lành.

VI. Kết luận và hướng phát triển vật liệu Polysiloxane tương lai

Nghiên cứu và phát triển vật liệu polysiloxane nối mạng thuận nghịch đang mở ra hướng đi đầy tiềm năng trong lĩnh vực khoa học vật liệu. Việc kết hợp các kỹ thuật tổng hợp tiên tiến, các loại liên kết thuận nghịch khác nhau và các phương pháp kích thích linh hoạt sẽ tạo ra những vật liệu thông minh với khả năng tự phục hồi vượt trội.

6.1. Hướng phát triển vật liệu tự phục hồi hiệu suất cao

Để phát triển vật liệu tự phục hồi hiệu suất cao, cần tập trung vào việc tối ưu hóa các yếu tố như: lựa chọn liên kết thuận nghịch phù hợp, cải thiện tính linh động của mạch polyme, tăng cường khả năng tương thích giữa các pha trong vật liệu và phát triển các phương pháp kích thích tự phục hồi hiệu quả.

6.2. Nghiên cứu vật liệu Polysiloxane với các liên kết động mới

Nghiên cứu về vật liệu polysiloxane với các liên kết động mới (ví dụ: liên kết hydrogen, liên kết kim loại-ligand, liên kết disulfide) là hướng đi đầy hứa hẹn. Các loại liên kết này mang lại đặc tính và ứng dụng riêng, mở ra khả năng tạo ra các vật liệu thông minh với khả năng tự phục hồi đa dạng và linh hoạt.

Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu polyme tự lành ngày càng được quan tâm do khả năng tự phục hồi các vết hư hỏng nhỏ như xước, nứt, gãy, giúp kéo dài tuổi thọ và giảm chi phí bảo trì. Trong đó, polyme dựa trên liên kết thuận nghịch Diels-Alder (DA) nổi bật với khả năng tái tạo liên kết dưới tác động nhiệt. Tuy nhiên, các hệ polyme DA truyền thống thường yêu cầu bước gia nhiệt cao (110-180°C) để phân tách liên kết DA trước khi tái liên kết, gây ra các phản ứng phụ không mong muốn và hạn chế ứng dụng thực tế.

Luận văn này tập trung nghiên cứu tổng hợp vật liệu polyme nối mạng từ polydimethylsiloxane (PDMS) mang nhóm DA, có khả năng tự lành hiệu quả dưới tác động nhiệt vừa phải (70°C) mà không cần bước phân tách retro-DA trước. Vật liệu được chế tạo từ PDMS, poly(ε-caprolactone) diol (PCL) và hexamethylene diisocyanate isocyanurate trimer (HDI-trimer), kết hợp tính linh động cao của PDMS và khả năng nhớ hình của PCL để hỗ trợ quá trình chữa lành vết cắt.

Nghiên cứu thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 12 năm 2023 tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. HCM, với mục tiêu phát triển vật liệu polyme tự lành có cơ tính tốt, hiệu suất chữa lành vết cắt đạt trên 80% và khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực đòi hỏi độ bền cao và tính bền vững. Kết quả nghiên cứu góp phần mở rộng hiểu biết về vật liệu polyme tự lành thuận nghịch, đồng thời cung cấp nền tảng cho phát triển vật liệu công nghiệp thân thiện và hiệu quả.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính:

1. Phản ứng Diels-Alder (DA) và retro-DA: Đây là phản ứng cộng vòng thuận nghịch giữa dien (như furan) và dienophile (như maleimide), tạo liên kết cyclohexene có thể phân tách và tái tạo dưới tác động nhiệt. Liên kết DA có tính chọn lọc cao, không cần xúc tác, và được ứng dụng rộng rãi trong polyme tự lành.

2. Hiệu ứng nhớ hình của polyme (Shape Memory Polymers - SMPs): Polyme có khả năng biến dạng ở nhiệt độ cao và hồi phục hình dạng ban đầu khi được gia nhiệt trở lại. Trong nghiên cứu, phân đoạn PCL bán kết tinh đóng vai trò phân đoạn chuyển đổi nhiệt, hỗ trợ khép miệng vết cắt nhờ hiệu ứng nhớ hình, tạo điều kiện cho liên kết DA tái tạo.

Các khái niệm chính bao gồm: liên kết thuận nghịch, polyme nối mạng, phản ứng click thiol-acrylate, polyurethan nhiệt rắn, và các phương pháp đánh giá cơ tính như độ bền kéo, kính hiển vi quang học và điện hóa.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu chính gồm BYK-UV-3570 (acrylated-PDMS), furfuryl mercaptan, 3-maleimido-1-propanol, PCL-diol, HDI-trimer và xúc tác Zirconium(IV) acetylacetonate. Các nguyên liệu được mua từ các nhà cung cấp uy tín và sử dụng trong phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM.

• Phương pháp tổng hợp:

  • Tổng hợp tiền chất furfuryl-BYK qua phản ứng thiol-acrylate ở nhiệt độ phòng trong 12 giờ.
  • Tổng hợp DA-BYK bằng phản ứng Diels-Alder ở 50°C trong 24 giờ.
  • Chế tạo vật liệu polyme nối mạng DA-PDMS qua phản ứng urethane giữa DA-BYK, PCL-diol và HDI-trimer ở 60°C trong 24 giờ, sau đó xử lý nhiệt ở 70°C trong 24 giờ.

• Phương pháp phân tích:

  • Cấu trúc hóa học xác định bằng phổ cộng hưởng từ hạt nhân (^1H-NMR) và phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR).
  • Tính chất nhiệt được đánh giá bằng phương pháp phân tích nhiệt quét vi sai (DSC).
  • Cơ tính đo bằng độ bền kéo theo tiêu chuẩn ASTM D882.
  • Khả năng tự lành đánh giá bằng kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử quét (SEM) và đo tổng trở ăn mòn điện hóa (EIS).

• Timeline nghiên cứu: Tổng hợp và phân tích tiền chất từ tháng 2 đến tháng 6/2023; chế tạo và xử lý vật liệu polyme từ tháng 7 đến tháng 10/2023; đánh giá tính chất và hiệu suất tự lành từ tháng 11 đến tháng 12/2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tổng hợp thành công tiền chất và DA-BYK: Phổ ^1H-NMR cho thấy sự biến mất hoàn toàn của peak nhóm acrylate (5.50 ppm) và sự xuất hiện các peak đặc trưng của nhóm furan (6.33 ppm), chứng minh phản ứng thiol-acrylate thành công. Độ chuyển hóa phản ứng DA đạt khoảng 80%, với ~20% nhóm furan và maleimide chưa phản ứng, không ảnh hưởng đến bước tạo mạng liên kết.

2. Xác nhận cấu trúc vật liệu DA-PDMS nối mạng: Phổ ATR-IR cho thấy sự biến mất hoàn toàn của nhóm isocyanate (2200-2300 cm^-1) và sự xuất hiện các dãi hấp thụ đặc trưng của urethane (3382 cm^-1, 1686 cm^-1) cùng với các dãi của liên kết DA (863 cm^-1), chứng minh mạng liên kết DA-PDMS được hình thành ổn định.

3. Khả năng nhớ hình và tự lành hiệu quả ở 70°C: Mẫu DA-PDMS(50) thể hiện khả năng hồi phục hình dạng xoắn về dạng ban đầu trong vòng 24 giờ ở 70°C. Đánh giá bằng kính hiển vi quang học và SEM cho thấy vết cắt được khép kín hoàn toàn sau quá trình gia nhiệt. Độ hồi phục độ bền kéo đạt trên 80% so với mẫu ban đầu, vượt trội so với các hệ polyme DA truyền thống cần nhiệt độ cao hơn.

4. Đánh giá tổng trở ăn mòn điện hóa (EIS): Màng DA-PDMS phủ trên thép không gỉ sau khi chữa lành có tổng trở ăn mòn tăng đáng kể, chứng tỏ khả năng phục hồi liên kết mạng và bảo vệ bề mặt kim loại hiệu quả.

Thảo luận kết quả

Khả năng tự lành của vật liệu DA-PDMS được cải thiện nhờ sự kết hợp giữa tính linh động cao của PDMS và hiệu ứng nhớ hình của PCL. PDMS giúp tăng cường chuyển động phân tử, tạo điều kiện thuận lợi cho các nhóm DA tái liên kết mà không cần bước phân tách retro-DA ở nhiệt độ cao. Đồng thời, PCL hỗ trợ khép miệng vết cắt nhờ khả năng hồi phục hình dạng, giúp các bề mặt vết thương tiếp xúc chặt chẽ ở cấp độ phân tử.

So với các nghiên cứu trước đây yêu cầu nhiệt độ trên 110°C để phân tách liên kết DA, vật liệu này cho phép chữa lành ở 70°C trong một bước duy nhất, giảm thiểu phản ứng phụ và tổn hại vật liệu. Kết quả độ hồi phục độ bền kéo trên 80% cũng tương đương hoặc vượt trội so với các hệ polyme DA khác, đồng thời phương pháp tổng hợp đơn giản, sử dụng nguyên liệu thương mại giúp tăng khả năng ứng dụng thực tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ ứng suất-biến dạng kéo so sánh mẫu ban đầu và mẫu chữa lành, hình ảnh kính hiển vi quang học và SEM thể hiện quá trình khép vết cắt, cùng biểu đồ Bode từ phép đo EIS minh họa sự phục hồi tính chất điện hóa của màng phủ.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa tỷ lệ pha PCL và DA-BYK để cân bằng giữa cơ tính và khả năng tự lành, nhằm đạt hiệu suất chữa lành tối ưu trên 85% trong vòng 12 giờ ở 70°C. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu vật liệu polyme, thời gian 6 tháng.

2. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng vật liệu DA-PDMS trong phủ bảo vệ kim loại chống ăn mòn, đặc biệt trong ngành công nghiệp hàng hải và ô tô, nhằm tăng tuổi thọ sản phẩm và giảm chi phí bảo trì. Chủ thể thực hiện: doanh nghiệp sản xuất vật liệu phủ, thời gian 1 năm.

3. Phát triển quy trình sản xuất quy mô công nghiệp dựa trên phương pháp tổng hợp đơn giản, sử dụng nguyên liệu thương mại, đảm bảo tính ổn định và đồng nhất của vật liệu. Chủ thể thực hiện: nhà máy sản xuất polyme, thời gian 1-2 năm.

4. Khảo sát khả năng tự lành dưới các điều kiện môi trường khác nhau như độ ẩm, ánh sáng, và tải trọng cơ học để đánh giá tính bền vững và ứng dụng trong thực tế. Chủ thể thực hiện: viện nghiên cứu vật liệu, thời gian 1 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Vật liệu: Nắm bắt kiến thức về polyme tự lành, phản ứng Diels-Alder và ứng dụng trong vật liệu nhiệt rắn, phục vụ cho các đề tài nghiên cứu và luận văn.

2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu polyme và phủ bề mặt: Áp dụng quy trình tổng hợp đơn giản, hiệu quả để phát triển sản phẩm mới có khả năng tự phục hồi, tăng tính cạnh tranh trên thị trường.

3. Chuyên gia trong lĩnh vực bảo vệ kim loại và chống ăn mòn: Tham khảo vật liệu DA-PDMS làm lớp phủ bảo vệ có khả năng tự lành vết nứt, nâng cao độ bền và tuổi thọ thiết bị.

4. Ngành công nghiệp y sinh và thiết bị đeo thông minh: Khai thác tính tương thích sinh học và khả năng tự lành của polyme PDMS để phát triển vật liệu cho da nhân tạo, khung xương nhân tạo hoặc thiết bị y tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu DA-PDMS có thể tự lành ở nhiệt độ phòng không?
   Hiện tại, quá trình tự lành hiệu quả của DA-PDMS yêu cầu gia nhiệt ở 70°C để kích hoạt liên kết DA tái tạo. Ở nhiệt độ phòng, khả năng tự lành rất hạn chế do động lực học phản ứng chậm.

2. Liên kết Diels-Alder có bị suy giảm sau nhiều chu kỳ tự lành không?
   Liên kết DA có tính thuận nghịch cao và có thể tái tạo nhiều lần mà không cần xúc tác. Tuy nhiên, hiệu suất tự lành có thể giảm nhẹ do sự hao hụt nhóm chức hoặc phản ứng phụ, cần kiểm tra thực nghiệm cụ thể.

3. Phản ứng thiol-acrylate có tạo ra sản phẩm phụ không?
   Phản ứng thiol-acrylate là phản ứng click, diễn ra nhanh, hiệu suất cao và gần như không tạo sản phẩm phụ, giúp đơn giản hóa quy trình tổng hợp.

4. Khả năng nhớ hình của PCL ảnh hưởng thế nào đến quá trình tự lành?
   Hiệu ứng nhớ hình của PCL giúp khép miệng vết cắt chặt chẽ, tạo điều kiện cho các nhóm DA tiếp xúc và tái liên kết, nâng cao hiệu quả chữa lành vết thương.

5. Vật liệu này có thể ứng dụng trong môi trường ẩm ướt hay không?
   PDMS có tính kỵ nước cao và ổn định sinh học, giúp vật liệu có khả năng chịu ẩm tốt. Tuy nhiên, cần nghiên cứu thêm về ảnh hưởng của độ ẩm đến hiệu suất tự lành trong điều kiện thực tế.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công vật liệu polyme nối mạng DA-PDMS với khả năng tự lành hiệu quả dưới tác động nhiệt 70°C mà không cần bước phân tách retro-DA trước.
• Vật liệu kết hợp tính linh động của PDMS và hiệu ứng nhớ hình của PCL, đạt hiệu suất chữa lành vết cắt trên 80% về độ bền kéo.
• Phương pháp tổng hợp đơn giản, sử dụng nguyên liệu thương mại, phù hợp cho sản xuất quy mô công nghiệp.
• Kết quả đánh giá đa chiều bằng phổ ^1H-NMR, FT-IR, DSC, SEM, kính hiển vi quang học và EIS khẳng định tính ổn định và hiệu quả của vật liệu.
• Đề xuất nghiên cứu tiếp tục tối ưu hóa thành phần, mở rộng ứng dụng trong phủ bảo vệ kim loại và y sinh, đồng thời khảo sát tính bền vững trong môi trường thực tế.

Luận văn mở ra hướng đi mới cho phát triển vật liệu polyme tự lành thuận nghịch có cơ tính cao và khả năng ứng dụng rộng rãi. Để tiếp tục phát triển, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích áp dụng và hoàn thiện công nghệ này nhằm tạo ra sản phẩm vật liệu tiên tiến, thân thiện môi trường và bền vững.