Luận văn thạc sĩ kỹ thuật vật liệu nghiên cứu và chế tạo vật liệu cấu trúc xốp 3d từ blend của polyethylene glycol và polymethyl methacrylate ứng dụng cho máy phát điện nano ma sát

Nghiên cứu chế tạo vật liệu cấu trúc xốp 3D từ blend polyethylene glycol và polymethyl methacrylate cho máy phát điện nano ma sát.

• Tác giả: Võ Nguyễn Quỳnh Như
• Người hướng dẫn: TS. Bùi Văn Tiến
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật vật liệu
• Đề tài: Nghiên cứu và chế tạo vật liệu cấu trúc xốp 3D từ blend của poly(ethylene glycol) và poly(methyl methacrylate) ứng dụng cho máy phát điện nano ma sát
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu vật liệu cấu trúc xốp 3D từ PEG và PMMA

Nghiên cứu vật liệu cấu trúc xốp 3D từ polyethylene glycol (PEG) và polymethyl methacrylate (PMMA) đang thu hút sự chú ý trong lĩnh vực công nghệ nano. Vật liệu này không chỉ có tính năng vượt trội mà còn mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong các thiết bị phát điện nano. Việc kết hợp hai loại polymer này tạo ra một vật liệu có cấu trúc xốp, giúp tăng cường hiệu suất phát điện và khả năng tương thích sinh học.

1.1. Đặc điểm của vật liệu cấu trúc xốp 3D

Vật liệu cấu trúc xốp 3D từ PEG và PMMA có đặc điểm nổi bật như độ bền cao, khả năng hấp thụ và thoát ẩm tốt. Cấu trúc xốp giúp tăng diện tích bề mặt, từ đó nâng cao hiệu suất ma sát điện. Sự kết hợp này tạo ra một vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng trong máy phát điện nano.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng PEG và PMMA

Việc sử dụng polyethylene glycol và polymethyl methacrylate trong nghiên cứu này mang lại nhiều lợi ích. PEG giúp tăng cường tính tương thích sinh học, trong khi PMMA cung cấp độ bền và tính ổn định. Sự kết hợp này không chỉ cải thiện hiệu suất phát điện mà còn mở rộng khả năng ứng dụng trong các thiết bị y tế và cảm biến.

II. Thách thức trong nghiên cứu vật liệu cấu trúc xốp 3D cho máy phát điện nano

Mặc dù có nhiều tiềm năng, nhưng nghiên cứu vật liệu cấu trúc xốp 3D từ PEG và PMMA cũng đối mặt với nhiều thách thức. Hiệu suất phát điện và khả năng tương thích sinh học vẫn cần được cải thiện để đáp ứng yêu cầu thực tiễn. Các vấn đề như độ bền của vật liệu và khả năng sản xuất hàng loạt cũng cần được xem xét.

2.1. Vấn đề hiệu suất phát điện

Một trong những thách thức lớn nhất là cải thiện hiệu suất phát điện của vật liệu. Các yếu tố như cấu trúc bề mặt, tỷ lệ PEG/PMMA và khối lượng phân tử của PEG ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng phát điện. Cần có các nghiên cứu sâu hơn để tối ưu hóa các yếu tố này.

2.2. Khả năng tương thích sinh học

Khả năng tương thích sinh học của vật liệu cũng là một vấn đề quan trọng. Vật liệu cần phải an toàn khi tiếp xúc với cơ thể người, đặc biệt trong các ứng dụng y tế. Việc nghiên cứu và cải thiện tính tương thích sinh học sẽ giúp mở rộng ứng dụng của vật liệu trong lĩnh vực này.

III. Phương pháp chế tạo vật liệu cấu trúc xốp 3D từ PEG và PMMA

Phương pháp chế tạo vật liệu cấu trúc xốp 3D từ PEG và PMMA chủ yếu dựa trên kỹ thuật phân pha do dung môi bay hơi. Kỹ thuật này cho phép kiểm soát cấu trúc xốp của vật liệu, từ đó tối ưu hóa các tính chất điện và cơ học. Việc điều chỉnh nồng độ dung dịch polymer và tỷ lệ PEG/PMMA là rất quan trọng.

3.1. Kỹ thuật phân pha do dung môi bay hơi

Kỹ thuật phân pha do dung môi bay hơi (SIPS) là một phương pháp hiệu quả để chế tạo vật liệu xốp. Phương pháp này cho phép tạo ra cấu trúc xốp với kích thước lỗ và độ dày màng có thể điều chỉnh. Điều này giúp cải thiện hiệu suất phát điện của vật liệu.

3.2. Điều chỉnh nồng độ và tỷ lệ PEG PMMA

Việc điều chỉnh nồng độ dung dịch polymer và tỷ lệ PEG/PMMA là rất quan trọng trong quá trình chế tạo. Nồng độ cao hơn có thể tạo ra cấu trúc xốp dày đặc hơn, trong khi tỷ lệ PEG/PMMA ảnh hưởng đến tính chất điện và cơ học của vật liệu. Cần có các thí nghiệm để xác định tỷ lệ tối ưu.

IV. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu cấu trúc xốp 3D trong máy phát điện nano

Vật liệu cấu trúc xốp 3D từ PEG và PMMA có nhiều ứng dụng thực tiễn trong máy phát điện nano. Thiết bị TENG sử dụng vật liệu này có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử nhỏ và cảm biến tự cấp nguồn. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các thiết bị y tế và công nghệ thông minh.

4.1. Cung cấp năng lượng cho thiết bị điện tử nhỏ

Vật liệu cấu trúc xốp 3D có khả năng cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử nhỏ như cảm biến và thiết bị theo dõi sức khỏe. Điều này giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng truyền thống và tạo ra các giải pháp năng lượng bền vững.

4.2. Ứng dụng trong cảm biến tự cấp nguồn

Cảm biến tự cấp nguồn sử dụng vật liệu này có thể hoạt động độc lập mà không cần nguồn điện bên ngoài. Điều này rất hữu ích trong các ứng dụng y tế và môi trường, nơi mà việc cung cấp năng lượng liên tục là rất quan trọng.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu vật liệu cấu trúc xốp 3D

Nghiên cứu vật liệu cấu trúc xốp 3D từ PEG và PMMA mở ra nhiều triển vọng trong lĩnh vực công nghệ nano. Với những cải tiến về hiệu suất phát điện và khả năng tương thích sinh học, vật liệu này có thể trở thành một giải pháp năng lượng bền vững trong tương lai. Cần tiếp tục nghiên cứu để tối ưu hóa các tính chất và mở rộng ứng dụng của vật liệu.

5.1. Tiềm năng phát triển trong công nghệ nano

Vật liệu cấu trúc xốp 3D có tiềm năng lớn trong công nghệ nano, đặc biệt là trong các ứng dụng năng lượng tái tạo. Việc phát triển các thiết bị TENG hiệu suất cao sẽ giúp thúc đẩy sự phát triển của công nghệ này.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Hướng nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc cải thiện hiệu suất phát điện và khả năng tương thích sinh học của vật liệu. Các nghiên cứu sâu hơn về cấu trúc và tính chất của vật liệu sẽ giúp mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN 1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước Khủng hoảng năng lượng toàn cầu hiện đang là một trong những vấn đề đáng quan tâm hàng đầu ngày nay. Việc tiếp cận có hiệu quả các nguồn năng lượng sạch, giá cả phải chăng và bền vững đang ngày càng trở nên cấp thiết không chỉ ở Việt Nam mà trên toàn thế giới. Máy phát điện nano ma sát (Triboelectric Nanogenerator – TENG) đã chứng tỏ là một trong những công nghệ tốt nhất để chuyển đổi năng lượng cơ học, đặc biệt là các dao động ngẫu nhiên có tần số thấp, thành năng lượng điện có thể sử dụng được.

Ngoài ra, TENG gọn nhẹ mềm dẻo nên dễ dàng tích hợp cấp nguồn cho các thiết bị điện tử di động, và đặc biệt TENG có thể hoạt động như một cảm biến tự cấp nguồn trong Internet vạn vật – IoT. Tuy rằng mới được phát minh vào năm 2012, nhưng hướng nghiên cứu về TENG đã nhận được rất nhiều sự quan tâm từ cộng đồng khoa học và các tổ chức trên toàn thế giới. Điều này được thể hiện qua việc tăng nhanh số lượng các công bố quốc tế hàng đầu về TENG trong vòng những năm trở lại đây. Theo số liệu thống kê tính đến tháng 7/2020, có hơn 56 quốc gia và vùng lãnh thổ, 830 cơ sở nghiên cứu và phòng thí nghiệm, hơn 4700 nhà khoa học trên khắp thế giới tham gia nghiên cứu về lĩnh vực TENG.

Hơn thế nữa, sự phổ biến của TENG trong nghiên cứu khoa học ngày càng gia tăng theo cấp số nhân được thể hiện trong cả số lượng bài báo đã xuất bản và trích dẫn (như Hình 1.1: Số lượng các bài báo nghiên cứu có liên quan đến TENG (A) và các trích dẫn (B) mỗi năm trong giai đoạn 2012 – 2020 4 Hiện nay trong lĩnh vực thu hồi và chuyển hoá năng lượng, mật độ công suất đầu ra của TENG đã cải thiện từ 3.67 W/m2 kể từ ngày đầu tiên phát minh cho tới nay đã đạt được 2. Các phương pháp nhằm cải thiện hiệu suất của máy phát điện ma sát nano có thể kể đến như lựa chọn vật liệu ma sát hợp lý, tối ưu các thiết kế và biến tính bề mặt. Trong các phương pháp trên, biến tính bề mặt là phương pháp hiệu quả và được sử dụng rộng rãi nhất nhằm tăng hiệu suất phát điện của TENG nhờ vào việc tăng cường tính chất bề mặt ma sát cũng như hiệu ứng điện ma sát của bề mặt vật liệu. Nhìn chung, phương pháp biến tính bề mặt được chia thành hai nhóm phương pháp chính: biến tính vật lý và biến tính hóa học [6].

Một số nghiên cứu về cải thiện hiệu suất phát điện của TENG nhờ vào biến tính vật lý, cụ thể là biến tính hình thái học của bề mặt (Surface Morphology) có thể kể đến như: − Sử dụng kỹ thuật in thạch bản mềm (soft lithography), ví dụ: nhóm nghiên cứu của giáo sư Zhong Lin Wang, năm 2012, đã sử dụng kỹ thuật in thạch bản mềm (Soft Lithography) để tạo ra các patterns kích thước micro trên bề mặt lớp vật liệu ma sát polydimethylsiloxane (PDMS). Các patterns được tạo ra có các hình dạng khác nhau bao gồm dạng đường thẳng, dạng khối, và dạng khối kim tự tháp [7]. − Sử dụng giấy nhám, ví dụ: nhóm nghiên cứu của giáo sư Zhou Li, năm 2016, đã sử dụng giấy nhám để làm tăng độ nhám, do đó tăng cường tính chất ma sát của lớp vật liệu [8]. Bên cạnh các phương pháp biến tính hình thái học của bề mặt ma sát, các phương pháp biến tính hóa học bề mặt cũng đã được nghiên cứu rộng rãi, có thể kể đến như: − Biến tính các nhóm chức hóa học trên bề mặt, ví dụ: nhóm nghiên cứu của giáo sư Sung Ho – Shin, năm 2015, đã biến tính bề mặt màng film PET với dung dịch lysine và silane [9].

− Ion hóa bề mặt, ví dụ: nhóm nghiên cứu của giáo sư Zhong Lin Wang, năm 2014, đã sử dụng súng bắn khí ion hóa (an air ionization gun) để thêm các ion âm lên bề mặt của FEP (Fluorinated Ethylene Propylene) [10]. Mặc dù các phương pháp trên đã chứng minh hiệu quả trong việc tăng cường hiệu quả phát điện cho TENG, tuy nhiên các phương pháp này cũng gặp phải những hạn chế lớn như giá thành chế tạo cao, quá trình chế tạo phức tạp, tốn thời gian. Mặt khác, 5 vật liệu kim loại thường được sử dụng để chế tạo điện cực TENG bao gồm đồng (Cu), nhôm (Al), hoặc bạc (Ag) do chúng có độ dẫn điện cao [11], thường không bền do chúng dễ bị oxy hóa và bị ăn mòn trong các môi trường làm việc khắc nghiệt như độ ẩm cao. Ngoài ra, bề mặt tiếp xúc giữa lớp vật liệu ma sát và điện cực kim loại thường bị tổn hại sau thời gian hoạt động, điều này dẫn đến làm giảm hiệu quả phát điện, giảm độ bền và độ ổn định của thiết bị TENG [12].

Gần đây, một số nghiên cứu đã được thực hiện để khắc phục các hạn chế trên, có thể kể đến như: − Nhóm nghiên cứu của giáo sư Wang, năm 2016, đã chế tạo TENG hoàn toàn từ vật liệu polyme (all polymer based-TENG), trong đó polyme dẫn điện đóng vai trò vừa là vật liệu ma sát và điện cực dẫn điện [13]. Mặc dù TENG được chế tạo hoàn toàn từ polyme có độ bền cao, nhưng hiệu quả phát điện bị hạn chế do polyme dẫn điện kém hơn so với kim loại. − Năm 2021, tại Việt Nam, nhóm nghiên cứu của TS. Bùi Văn Tiến đã ứng dụng vật liệu lai hóa cấu trúc xốp phân cấp nano/micro (Hierarchically Porous Dielectric-Electrode Hybrid) của poly(methyl methacrylate) (PMMA) trên điện cực lưới đồng, được kỳ vọng sẽ khắc phục phần nào những khó khăn trên [14].

Tại Việt Nam, hướng nghiên cứu về TENG còn tương đối mới. Nhóm nghiên cứu của TS. Bùi Văn Tiến, giảng viên Khoa Công nghệ Vật liệu, Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, Đại học Quốc gia (ĐHQG-HCM) với các hướng nghiên cứu chủ yếu tập trung vào các vật liệu cấu trúc nano, vật liệu sử dụng cho máy phát điện ma sát nano, đã triển khai nhiều nghiên cứu và ứng dụng TENG tại Việt Nam. Năm 2021, nhóm nghiên cứu của TS.

Bùi Văn Tiến đã nghiên cứu vật liệu nanocomposite graphene oxide - acid polylactic (GO/ PLA) không chứa chất hoạt động bề mặt với cấu trúc tổ ong có thể tùy chỉnh, kết hợp với PDMS bề mặt lồi sử dụng để chế tạo TENG có công suất đầu ra là 3.6 lần so với công suất của TENG có bề mặt phẳng không có GO [15]. Năm 2021, nhóm cũng đã nghiên cứu và phát triển màng nanocomposite porous graphene oxide-surfactant/ poly(lactic acid) (GO-S/ PLA) với vật liệu cấu trúc xốp tổ ong trật tự cao đóng vai trò là vật liệu ma sát điện dương, kết hợp với vật liệu âm PDMS có cấu trúc bề mặt lồi (microdome-PDMS) để phát triển 6 TENG có công suất đầu ra là 0.54 mW/cm2, cao hơn 8.6 lần so với TENG có bề mặt phẳng và không có GO [16]. Đề xuất nghiên cứu 1. Tính cấp thiết của nghiên cứu Việc phát triển TENG hiện nay có tính cấp thiết và quan trọng dựa trên các cơ sở sau: Một là, TENG được kỳ vọng là một trong những phương pháp tiếp cận hiệu quả các nguồn năng lượng xanh – năng lượng tái tạo, từ đó giúp giải quyết khủng hoảng năng lượng do các nguồn năng lượng truyền thống (như than đá, dầu mỏ…) đang ngày một cạn kiệt.

Hai là, sự phát triển của các thiết bị điện tử tự cấp nguồn và các cảm biến tự hành trong mạng lưới Internet vạn vật - IoTs đòi hỏi một thiết bị cung cấp nguồn năng lượng mới khác với các loại pin truyền thống. TENG là một công nghệ mới, nhiều tiềm năng, hứa hẹn có thể thay thế được các loại pin truyền thống dựa vào các ưu điểm như: có thể chuyển hóa các năng lượng thu được từ các chuyển động ngẫu nhiên thành điện năng, có khả năng tự cấp nguồn, nhỏ gọn, linh hoạt có thể đeo được, giá thành hợp lý… Đây là hai nguyên nhân chính thể hiện sự cấp thiết và tính thời sự của đề tài nghiên cứu này. TENG là một công nghệ mới và sẽ là một trong những công nghệ nguồn của tương lai. Việc nắm bắt kịp thời các thành quả nghiên cứu công nghệ mới sẽ góp phần giúp ích vào việc phát triển nền kinh tế nước nhà, đồng thời đẩy mạnh quá trình hướng đến công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.

Do đó việc nghiên cứu phát triển máy phát điện ma sát nano TENG và hệ cảm biến tự cấp nguồn dựa trên cơ sở TENG cho nền IoTs là cấp thiết ở Việt Nam. Bên cạnh đó, vật liệu cấu trúc xốp đã cho thấy tiềm năng trong việc cải thiện hiệu quả phát điện đầu ra của thiết bị TENG bằng cách gia tăng bề mặt ma sát hiệu dụng. Đề tài nghiên cứu đề xuất chế tạo vật liệu cấu trúc xốp 3D từ blend của PEG và PMMA trên điện cực lưới đồng đóng vai trò là khung gia cường, ứng dụng cho máy phát điện nano ma sát. Việc sử dụng PEG, một polyme phân hủy sinh học và có tính chất điện ma sát tốt, cho chế tạo TENG được kỳ vọng sẽ nâng cao hiệu quả phát điện cũng như tăng khả 7 năng tương thích sinh học của TENG, từ đó mở rộng ứng dụng của TENG cho nhiều lĩnh vực khác nhau như lĩnh vực y sinh, chăm sóc sức khỏe con người.

Tính mới và mức độ tác động của nghiên cứu Đề tài nghiên cứu ứng dụng vật liệu xốp vào máy phát điện ma sát nano để chuyển đổi các loại năng lượng cơ học (gió, sóng biển, sóng âm, dao động,…) thành điện năng. Đây là lĩnh vực mới trong ngành chuyển đổi năng lượng tại Việt Nam cũng như thích hợp với xu hướng sử dụng năng lượng xanh – năng lượng tái tạo của thế giới. Vật liệu lai hóa cấu trúc xốp 3D dựa trên cơ sở vật liệu blend của PEG và PMMA gia cường bằng lưới đồng (copper nanowires woven mesh) lần đầu tiên được nghiên cứu một cách hệ thống, được kỳ vọng không những cho tính chất ma sát điện cao mà còn thể hiện nhiều tính chất tuyệt vời khác như tính tương thích sinh học cao, thoáng khí, chống oxy hóa, chống ăn mòn và có khả năng chắn sóng điện từ hiệu quả. Vật liệu lai hóa cấu trúc xốp liên tục này không chỉ ứng dụng trong chế tạo TENG mà còn có tiềm năng ứng dụng trong nhiều các lĩnh vực khác bao gồm màng lọc (filtration membrane), màng phân tách hỗn hợp dầu nước (water-oil separation), giá nuôi cấy tế bào (cell scaffold).