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.
