Đặt vấn đề Là một lĩnh vực trọng điểm của ngành công nghệ vật liệu, vật liệu polyme là một trong những xu hướng đã và đang được quan tâm phát triển mạnh mẽ nhất hiện nay. Thị trường polyme toàn cầu đạt khoảng 546 tỷ đô la năm 2020 và dự kiến giá trị của nó sẽ tiếp tục tăng với tốc độ CAGR là 5,1% trong giai đoạn dự báo (2020-2025). Dự báo sẽ đạt 693 tỷ đô la vào năm 2025. Nhu cầu ngày càng tăng đối với vật liệu polyme từ các khắp tất cả các ngành công nghiệp khác nhau như: y học sức khỏe, xây dựng, đóng gói, bao bì, ô tô,.Đặc biệt là khu vực Châu Á – Thái Bình Dương có thị trường tiêu thụ polyme lớn nhất trên thế giới - chiếm hơn 44% thị phần polyme toàn cầu vào năm 2020, chứng kiến sự tăng trưởng đáng kể trong thời gian gần đây [1-3].1: Dự đoán thị trường tiêu thụ Vật liệu Polyme khu vực Châu Á – Thái Bình Dương đến năm 2027 Ngày nay vật liệu polyme đã không còn là một khái niệm quá xa lạ với con người thậm chí nó ngày càng trở thành vật liệu không thể thiếu và hiện diện ở hầu hết các lĩnh vực trong cuộc sống hằng ngày từ ngành công nghiệp sản xuất hàng tiêu dùng phục vụ đời sống như các sản phẩm gia dụng bao túi, giày dép, bàn ghế…, đến những 2 sản phẩm dùng trong công nghiệp quân sự, công trình xây dựng, hàng không vũ trụ, thiết bị điện tử, ô-tô, sơn phủ, vải sợi và nhiều ứng dụng khác.
Tại sao vật liệu polyme ngày càng được ưa chuộng và dần thay thế các vật liệu khác? Đó là nhờ vào những tính năng nổi trội và riêng biệt của chúng là tiện dụng, dễ gia công, sản phẩm từ polyme có khối lượng nhẹ, khối lượng riêng nhỏ hơn kim loại và ceramic, giá thành phải chăng, một số polyme có các độ bền cơ tính cao hơn so với trọng lượng phân tử của chúng và đặc biệt là đa số các loại nhựa có khả năng tái chế, tái sử dụng rất cao [4-6]. Tuy nhiên, song song đó, vật liệu polyme vẫn chịu ảnh hưởng tiêu cực bởi những yếu tố tác động từ môi trường bên ngoài như: thời tiết, dung môi, tia cực tím, nhiệt độ, va đập,… dẫn đến sự suy thoái và giảm cấp của polyme theo thời gian sử dụng đặc biệt là những vết nứt micro rất nhỏ bên trong cấu trúc vật liệu có thể gây ra sự giảm cấp nguy hiểm và nghiêm trọng hơn dẫn đến sự phá hủy của vật liệu. Từ những vấn đề nhược điểm nói trên đã đặt ra những thách thức mới cho các nhà khoa học, các nhóm nghiên cứu tìm tòi, cải tiến để tạo ra các loại vật liệu polyme vừa đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật về độ bền và cơ tính vốn có của polyme, vừa đảm bảo “bảo vệ” và “khôi phục” được những tính chất đó dưới tác động từ các yếu tố bên ngoài trong quá trình gia công và sử dụng. Từ đó, một khái niệm mới về vật liệu polyme ra đời để đáp ứng yêu cầu và khắc phục các nhược điểm nói trên – mang tên vật liệu polyme thông minh [7, 8].
Khoảng 3,8 tỷ năm trước, kể từ khi nguồn gốc của sự sống được bắt đầu trên trái đất, những sinh vật sống đã có trong mình một số phản ứng, khả năng đặc biệt đảm bảo sự tồn tại của chúng trong một môi trường rộng lớn dưới áp lực của quá trình chọn lọc tự nhiên khắc nghiệt. Một số polyme có trong tự nhiên như protein, polysacarit và axit nucleic…đóng vai trò là thành phần cơ bản trong cơ thể sống của sinh vật và giúp chúng thực hiện các chức năng sống phức tạp của cơ thể thông qua các sự cảm nhận và phản hồi lại các thông tin dưới tác động của các điều kiện tự nhiên. Nhờ đó, trong thực tế, có một số loài sinh vật trong tự nhiên có khả năng tự tổ chức, tự thích ứng với điều kiện khác nhau của môi trường và tự chữa lành. Những 3 tính chất này đặc biệt là khả năng tự chữa lành vết thương và tự hồi phục lại các bộ phận bị hỏng trên chính cơ thể của chúng, là rất cần thiết cho cuộc sống.
Điều này đã tạo ra động lực mới mẻ, thôi thúc các nhà khoa học nghiên cứu tổng hợp ra vật liệu polyme tổng hợp mà trong cấu trúc của chúng được thiết kế “sao chép” và “bắt chước” một số các đặc điểm cấu trúc các polyme tự nhiên và tích hợp khả năng tự lành trong cơ thể của các sinh vật này từ đó làm cơ sở nền tảng để phát triển, ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp và khoa học trình độ cao. Đó là ngành vật liệu polyme thông minh [9]. Polyme thông minh là loại vật liệu polyme có khả năng tiếp nhận và phản hồi thuận nghịch lại một hay nhiều các thay đổi nhỏ hoặc các tác nhân kích thích đến từ môi trường xung quanh (ánh sáng, nhiệt độ, pH, từ tính…) Từ đó ứng dụng vào trong các lĩnh vực khác nhau của cuộc sống. Một số loại polyme thông minh như: Polyme kháng cháy (fire resistant), polyme nhớ hình (shape memory), polyme dẫn điện, polyme tự lành (self-healing), polyme nhạy pH (pH sensitive polyme) [7-9].
Trong đó polyme tự lành và polyme nhớ hình là một trong trong những vật liệu đang được nghiên cứu và phát triển bởi khả năng ứng dụng cao của chúng trong nhiều lĩnh vực. [10, 11] Theo bản cáo phân tích thị trường toàn cầu nghiên cứu về vật liệu tự lành của Grand View Research và Ameri Research ở Mỹ công bố: thị trường tiêu thụ của vật liệu polyme tự lành đã đạt 120.35 triệu USD vào năm 2016 và sẽ tiếp tục tăng trưởng mạnh mẽ qua các năm. Theo dự báo của nhóm phân tích này thì từ năm 2019 tốc độ tăng trưởng của vật liệu polyme tự lành sẽ khoảng 51.4% và dự kiến cán mốc doanh thu gần 4 tỷ USD vào năm 2025. Điều này chứng tỏ sức hút cũng như tiềm năng rất lớn của vật liệu tự lành trong trương lai [12, 13].2: Biểu đồ thể hiện sự tăng trưởng lợi nhuận của thị trường vật liệu tự lành Với các số liệu được phân tích, thống kê ở trên, vật liệu tự lành nói chung hay polyme tự lành đang ngày càng khẳng định vị thế và vai trò khoa học của mình và đã chứng tỏ được sức hút cũng như tiềm năng rất lớn của chúng ở hiện tại và tương lai.
Điều này đã tạo ra một động lực nghiên cứu rất lớn cho các nhà khoa học trong và ngoài nước về lĩnh vực này. Lý do chọn đề tài Có rất nhiều cơ chế và phương pháp để chế tạo ra vật liệu có khả năng tự lành. Một trong những phương pháp được đánh giá là chữa hiệu quả nhất và được sử dụng rộng rãi hiện nay là đưa các liên kết linh động vào bên trong cấu trúc vật liệu nhằm làm tăng độ linh động của mạch phân tử polyme dưới một tác nhân từ bên ngoài từ đó làm cho vật liệu có khả năng “sửa chữa” và sắp xếp lại các mạch phân tử và làm lành lại các vết cắt, vết nứt bị gây ra trong quá trình sử dụng [12-14] 5 Hình 1.3: Minh họa vật liệu có khả năng tự lành Gần đây, một trong những liên kết thuận nghịch đang được nghiên cứu và phát triển phổ biến ứng dụng vào trong chế tạo vật liệu tự lành hiện nay đó là liên kết ion. Đây là một trong những loại liên kết được ứng dụng nhiều nhất trong các loại liên kết tương tác siêu phân tử [15].
Các liên kết này có khả năng tự lành rất tốt, hiệu suất chữa lành rất cao và có thể tự lành ở điều kiện thường. Tuy nhiên, sự linh động của các liên kết này thường tỷ lệ nghịch với cơ tính của hệ vật liệu và phần lớn những vật liệu này ở dạng hydrogel hoặc dạng đàn hồi, khả năng tăng cường cơ tính cho hệ vật liệu còn hạn chế. Đến nay việc tổng hợp vật liệu tự lành vừa có khả năng tự lành mà vẫn đảm bảo được độ bền cơ tính cao, trước và sau khi lành vẫn đang còn là một vấn đề bỏ ngỏ, thách thức các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu để khắc phục và phát triển [16]. Với mong muốn cải thiện nhược điểm nói trên của vật liệu tự lành dựa trên liên kết hydro, đề tài này tiếp cận hướng giải quyết vấn đề bằng việc tạo ra một hệ vật liệu copolyme có khả năng tự chữa lành nhờ vào mạng lưới liên kết ion thuận nghịch vừa ứng dụng cấu trúc vòng pyridine, một cấu trúc vòng thơm có khả năng tạo liên kết liên phân tử rất mạnh (tạo liên kết hydro với COO- và tạo liên kết ion với cation kim loại) [17, 18].
Tuy nhiên việc xuất hiện nhiều và sắp xếp liên tục rất gần nhau của các cấu trúc vòng thơm làm cho polyme có tính chất cơ lý khá cứng và giòn. 6 Điều này có nghĩa là sẽ làm tăng nhiệt độ tự lành của hệ gây bất lợi khi ứng dụng vào thực tiễn. Điều này cho thấy poly (stearyl methacrylate) có độ linh động, mềm dẻo rất lớn khi ở nhiệt độ phòng tạo nên sự thuận lợi cho các nhóm/mạch bên dễ dàng phản ứng với nhau tái tạo các liên kết thuận nghịch bị đứt gãy dưới tác động ngoại lực. Chúng đóng vai trò như một pha vô định rất linh động bao quanh các mạch chính và làm tăng độ linh động của cấu trúc vật liệu [19, 20].
Vì vậy đề tài của luận văn tốt nghiệp này sẽ tập trung: “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu tự lành trên cơ sở liên kết giữa ion kim loại và copolyme của 4-vinylpyridine và các monome khác.” Đây là một cấu trúc vật liệu mới, chưa được nghiên cứu trên thế giới. Vì vậy, kết quả của nghiên cứu này được hy vọng sẽ đóng góp vào khoa học cũng như mở ra được một hướng đi mới tiềm năng cho vật liệu tự lành. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của nghiên cứu này là tạo ra được vật liệu polyme tự lành tối ưu dựa trên mạng lưới liên kết ion giữa các cation kim loại và nhóm chức pyridine, carboxylic có trong vật liệu nền copolyme. Cụ thể nghiên cứu này tổng hợp thành công copolyme đi từ 3 thành phần monome poly(4-vinylpyridine-random-stearyl methacrylate- random- methacrylic acid) và tiến hành trộn hợp hệ copolyme giàu liên kiết liên phân tử này với ion kim loại để tiến hành tạo và đánh giá các hệ vật liệu tạo ra.
Vật liệu này vừa có khả năng hồi phục phá hủy ở nhiệt độ thường, vừa đáp ứng được yêu cầu về cơ tính để mở rộng được phạm vi ứng dụng.
