Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghệ nano phát triển mạnh mẽ, vật liệu nanomatrix đã trở thành hướng nghiên cứu trọng điểm trong lĩnh vực khoa học vật liệu, đặc biệt là vật liệu cao su nanomatrix trên cơ sở cao su tự nhiên. Theo báo cáo của Hiệp hội các quốc gia sản xuất cao su tự nhiên (ANRPC) và Tập đoàn công nghiệp cao su Việt Nam (VRG), năm 2012, Việt Nam đạt sản lượng khai thác cao su tự nhiên khoảng 863.600 tấn, đứng thứ 5 thế giới về sản lượng khai thác và thứ 4 về xuất khẩu, tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu và ứng dụng vật liệu cao su trong nước. Vật liệu graphene, với cấu trúc tổ ong của các nguyên tử carbon, có các đặc tính nổi bật như tỷ trọng thấp, diện tích bề mặt lớn, độ dẫn điện và nhiệt cao, được xem là chất gia cường tiềm năng cho cao su tự nhiên nhằm nâng cao tính chất cơ học, nhiệt và điện từ của vật liệu.

Mục tiêu nghiên cứu là chế tạo vật liệu graphene nanomatrix trên cơ sở cao su tự nhiên với các tính năng vượt trội về cơ tính, độ bền nhiệt và khả năng chắn sóng điện từ so với cao su tự nhiên truyền thống và các vật liệu nanocompozit thông thường. Nghiên cứu tập trung vào quy trình tổng hợp graphene oxide từ graphite thương mại, tách protein khỏi cao su tự nhiên, và quá trình đồng trùng hợp ghép graphene với cao su ở trạng thái latex sử dụng chất khơi mào oxi hóa – khử tert-butylhydroperoxide/tetraethylenepentamine. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Viện Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội trong năm 2022, với các phân tích cấu trúc và tính chất vật liệu được thực hiện bằng các phương pháp hiện đại như XRD, FT-IR, SEM, TEM, DSC, TGA và đo độ chắn sóng điện từ.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu cao su nanomatrix có tính năng ưu việt, mở ra triển vọng ứng dụng trong công nghiệp điện tử, vật liệu cách điện, vật liệu chống bức xạ và các lĩnh vực kỹ thuật cao khác, góp phần nâng cao giá trị gia tăng cho nguồn nguyên liệu cao su tự nhiên trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết cấu trúc nanomatrix và cơ chế đồng trùng hợp ghép copolymer.

  1. Lý thuyết cấu trúc nanomatrix: Vật liệu nanomatrix khác biệt với vật liệu nanocompozit truyền thống ở chỗ pha nền có hàm lượng nhỏ (vài nanomet) tạo thành mạng lưới bao quanh các hạt phân tán lớn hơn. Mô hình Takayanagi được áp dụng để mô phỏng mô-đun phức của vật liệu nanomatrix, cho thấy giá trị mô-đun phức của nanomatrix cao gấp khoảng 1400 lần so với vật liệu composite thông thường, minh chứng cho tính chất cơ học vượt trội của vật liệu nanomatrix.

  2. Cơ chế đồng trùng hợp ghép copolymer: Phản ứng đồng trùng hợp ghép được thực hiện ở trạng thái latex, sử dụng chất khơi mào gốc tự do (tert-butylhydroperoxide và tetraethylenepentamine) để tạo ra các gốc tự do trên mạch cao su tự nhiên, từ đó các monome graphene oxide được ghép lên mạch polymer cao su, hình thành copolymer ghép với cấu trúc nanomatrix. Cơ chế này giúp tạo liên kết hóa học bền vững giữa graphene và cao su, cải thiện tính chất vật liệu.

Các khái niệm chính bao gồm: cao su tự nhiên (Natural Rubber - NR), graphene oxide (GO), vật liệu nanocompozit, vật liệu nanomatrix, copolymer ghép (graft copolymer), và các tính chất cơ học, nhiệt, điện từ của vật liệu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là nguyên liệu graphite thương mại và cao su tự nhiên amoni cao (HANR) được cung cấp bởi các đơn vị trong nước. Graphene oxide được tổng hợp từ graphite bằng phương pháp Modified Hummers, trong khi cao su tự nhiên được xử lý tách protein để giảm dị ứng và tăng hiệu quả phản ứng ghép.

Phương pháp phân tích cấu trúc vật liệu bao gồm: nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể và khoảng cách lớp graphene; phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) để xác định các nhóm chức và đánh giá hiệu quả ghép; kính hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM) để quan sát hình thái bề mặt và cấu trúc nanomatrix; phân tích nhiệt lượng quét vi sai (DSC) và phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) để đánh giá tính bền nhiệt và chuyển pha của vật liệu.

Phương pháp đo tính chất cơ học gồm xác định độ bền kéo đứt và độ biến dạng dư bằng máy đo cơ lý STROGRAPH VG5E. Đo độ chắn sóng điện từ được thực hiện bằng máy phân tích phổ microwave N9918A FiledFox Handheld Microwave Analyzer trong dải tần 8–12 GHz.

Quy trình nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, bao gồm tổng hợp vật liệu, xử lý mẫu, phân tích cấu trúc và tính chất, đánh giá kết quả và so sánh với vật liệu nanocompozit truyền thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Cấu trúc nanomatrix thành công: Phân tích XRD cho thấy khoảng cách giữa các lớp graphene oxide được mở rộng so với graphite nguyên liệu, với đỉnh đặc trưng ở góc 2θ khoảng 10°, xác nhận sự oxy hóa thành công. Phổ FT-IR ghi nhận các nhóm chức -OH, C=O, epoxy đặc trưng của GO và sự xuất hiện các liên kết mới trong vật liệu DPNR-G, chứng tỏ hiệu quả của phản ứng ghép. Hình ảnh TEM cho thấy graphene tạo thành mạng lưới nanomatrix bao quanh các hạt cao su với kích thước nanomet, không có hiện tượng kết tụ lớn, trong khi mẫu blend không có cấu trúc mạng lưới rõ ràng.

  2. Tính chất cơ học cải thiện rõ rệt: Độ bền kéo đứt của vật liệu DPNR-G đạt khoảng 35 MPa, tăng 20% so với cao su tự nhiên nguyên bản (khoảng 29 MPa) và vượt trội hơn so với vật liệu nanocompozit dạng blend (khoảng 30 MPa). Độ biến dạng dư giảm 15%, cho thấy vật liệu có tính đàn hồi và độ bền kéo tốt hơn.

  3. Độ bền nhiệt và tính ổn định cơ-nhiệt động: Phân tích DSC và TGA cho thấy vật liệu DPNR-G có nhiệt độ bắt đầu phân hủy cao hơn khoảng 15°C so với cao su tự nhiên, đồng thời có nhiệt dung riêng tăng nhẹ, chứng tỏ khả năng chịu nhiệt được cải thiện. Đường cong DSC cũng cho thấy sự thay đổi nhiệt độ thủy tinh hóa Tg tăng nhẹ, phù hợp với sự gia tăng liên kết hóa học trong vật liệu.

  4. Khả năng chắn sóng điện từ vượt trội: Đo độ suy giảm mức độ sóng điện từ trong dải tần 8–12 GHz cho thấy vật liệu DPNR-G có khả năng hấp thụ sóng lên đến 85%, cao hơn đáng kể so với cao su tự nhiên (khoảng 40%) và hỗn hợp blend (khoảng 60%). Điều này mở ra tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị chống nhiễu điện từ và vật liệu bảo vệ.

Thảo luận kết quả

Việc hình thành cấu trúc nanomatrix với mạng lưới graphene bao quanh các hạt cao su đã tạo ra sự tương tác hóa học mạnh mẽ, giúp cải thiện đáng kể các tính chất cơ học và nhiệt của vật liệu. So với vật liệu nanocompozit truyền thống, cấu trúc nanomatrix giúp phân tán graphene đồng đều, hạn chế hiện tượng kết tụ, từ đó nâng cao hiệu quả gia cường. Kết quả TEM và FT-IR minh chứng cho sự liên kết hóa học giữa graphene và cao su, khác biệt với sự tương tác vật lý trong các hỗn hợp blend.

Các số liệu về độ bền kéo đứt và độ biến dạng dư phù hợp với mô hình Takayanagi, cho thấy mô-đun phức của vật liệu nanomatrix tăng lên đáng kể. Phân tích nhiệt DSC và TGA cho thấy vật liệu có khả năng chịu nhiệt tốt hơn, phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi tính ổn định nhiệt cao.

Khả năng chắn sóng điện từ vượt trội của DPNR-G được giải thích bởi cấu trúc mạng lưới graphene liên tục, tạo ra các kênh dẫn điện và hấp thụ sóng hiệu quả hơn so với vật liệu truyền thống. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu quốc tế về vật liệu graphene nanomatrix, đồng thời mở rộng ứng dụng trong lĩnh vực điện tử và quân sự.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh độ bền kéo đứt, biểu đồ DSC và TGA, cùng biểu đồ mức độ suy giảm sóng điện từ để minh họa rõ ràng sự vượt trội của vật liệu nanomatrix.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình đồng trùng hợp ghép: Đề xuất điều chỉnh hàm lượng graphene và chất khơi mào để tối ưu hóa cấu trúc nanomatrix, nâng cao tính đồng đều và hiệu quả liên kết hóa học. Thời gian thực hiện trong 6 tháng, do nhóm nghiên cứu tại Viện Kỹ thuật Hóa học đảm nhiệm.

  2. Mở rộng nghiên cứu tính chất vật liệu trong điều kiện môi trường thực tế: Thực hiện các thử nghiệm bền cơ học, bền nhiệt và bền điện từ trong môi trường ẩm, nhiệt độ thay đổi để đánh giá tính ổn định lâu dài. Thời gian 12 tháng, phối hợp với các phòng thí nghiệm chuyên ngành.

  3. Phát triển quy mô sản xuất thử nghiệm: Xây dựng quy trình sản xuất vật liệu graphene nanomatrix trên cơ sở cao su tự nhiên ở quy mô pilot nhằm đánh giá khả năng ứng dụng công nghiệp. Thời gian 18 tháng, phối hợp với doanh nghiệp sản xuất cao su và vật liệu composite.

  4. Khảo sát ứng dụng trong các lĩnh vực chuyên biệt: Nghiên cứu ứng dụng vật liệu trong bọc thiết bị phát sóng điện từ, vật liệu chống nhiễu trong quân sự, và vật liệu dẫn điện mềm dẻo cho thiết bị điện tử linh hoạt. Thời gian 12 tháng, phối hợp với các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ cao.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực kỹ thuật hóa học và vật liệu: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm chi tiết về vật liệu nanomatrix, giúp phát triển nghiên cứu sâu hơn về vật liệu polymer và nanocompozit.

  2. Doanh nghiệp sản xuất cao su và vật liệu composite: Thông tin về quy trình chế tạo và tính năng vật liệu graphene nanomatrix có thể ứng dụng để cải tiến sản phẩm, nâng cao chất lượng và mở rộng thị trường.

  3. Chuyên gia phát triển sản phẩm trong ngành điện tử và vật liệu chống bức xạ: Kết quả nghiên cứu về khả năng chắn sóng điện từ của vật liệu nanomatrix hỗ trợ phát triển các sản phẩm chống nhiễu và bảo vệ thiết bị điện tử.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật hóa học, vật liệu: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp tổng hợp, phân tích và đánh giá vật liệu nanomatrix, giúp nâng cao kiến thức và kỹ năng nghiên cứu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Graphene nanomatrix là gì và khác gì so với nanocompozit truyền thống?
    Graphene nanomatrix là vật liệu có cấu trúc mạng lưới graphene mỏng vài nanomet bao quanh các hạt phân tán lớn hơn, trong khi nanocompozit truyền thống có pha nền lớn và pha phân tán nhỏ. Cấu trúc nanomatrix tạo liên kết hóa học mạnh hơn, nâng cao tính chất vật liệu.

  2. Tại sao phải tách protein khỏi cao su tự nhiên trong nghiên cứu này?
    Protein trong cao su tự nhiên có thể gây dị ứng và làm giảm hiệu quả phản ứng ghép do phản ứng với chất khơi mào. Việc tách protein giúp tăng độ tinh khiết, cải thiện khả năng liên kết hóa học giữa graphene và cao su.

  3. Phương pháp tổng hợp graphene oxide được sử dụng là gì?
    Phương pháp Modified Hummers được áp dụng, sử dụng các chất oxy hóa mạnh như KMnO4, NaNO3 trong axit sulfuric để oxy hóa graphite thành graphene oxide với hiệu suất cao và an toàn.

  4. Làm thế nào để đánh giá cấu trúc nanomatrix đã hình thành?
    Sử dụng các kỹ thuật phân tích như XRD để xác định khoảng cách lớp graphene, FT-IR để phát hiện liên kết hóa học mới, TEM để quan sát cấu trúc mạng lưới nanomatrix và so sánh với mẫu blend.

  5. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu graphene nanomatrix trên cơ sở cao su tự nhiên là gì?
    Vật liệu có thể dùng trong bọc thiết bị phát sóng điện từ, vật liệu chống nhiễu điện từ, vật liệu dẫn điện mềm dẻo cho thiết bị điện tử linh hoạt, và các ứng dụng quân sự nhờ tính năng cơ học, nhiệt và điện từ vượt trội.

Kết luận

  • Đã thành công trong việc chế tạo vật liệu graphene nanomatrix trên cơ sở cao su tự nhiên với cấu trúc mạng lưới graphene bao quanh các hạt cao su ở kích thước nanomet.
  • Vật liệu nanomatrix thể hiện tính chất cơ học, nhiệt và khả năng chắn sóng điện từ vượt trội so với cao su tự nhiên và vật liệu nanocompozit truyền thống.
  • Phương pháp đồng trùng hợp ghép ở trạng thái latex với chất khơi mào tert-butylhydroperoxide/tetraethylenepentamine là hiệu quả để tạo liên kết hóa học giữa graphene và cao su.
  • Nghiên cứu mở ra triển vọng ứng dụng vật liệu nanomatrix trong công nghiệp điện tử, vật liệu chống bức xạ và các lĩnh vực kỹ thuật cao.
  • Đề xuất tiếp tục tối ưu quy trình, mở rộng quy mô sản xuất và khảo sát ứng dụng thực tế trong các lĩnh vực chuyên biệt.

Để tiếp tục phát triển, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích hợp tác để đưa vật liệu graphene nanomatrix vào ứng dụng thực tiễn, góp phần nâng cao giá trị và hiệu quả sử dụng cao su tự nhiên trong nền kinh tế quốc dân.