Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu polyme tự lành đang trở thành xu hướng nghiên cứu trọng điểm trong ngành công nghệ vật liệu với tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y sinh, hàng không vũ trụ, và công nghiệp ô tô. Thị trường polyme toàn cầu đạt khoảng 546 tỷ USD năm 2020 và dự kiến tăng lên 693 tỷ USD vào năm 2025 với tốc độ tăng trưởng CAGR 5,1%. Khu vực Châu Á – Thái Bình Dương chiếm hơn 44% thị phần toàn cầu, thể hiện sự tăng trưởng mạnh mẽ trong tiêu thụ vật liệu polyme. Tuy nhiên, polyme truyền thống dễ bị suy thoái do tác động môi trường như nhiệt độ, tia UV, và va đập, dẫn đến giảm tuổi thọ và hiệu suất sử dụng. Do đó, việc phát triển vật liệu polyme tự lành có khả năng tự phục hồi các vết nứt, vết cắt là rất cần thiết để nâng cao độ bền và kéo dài tuổi thọ sản phẩm.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp vật liệu tự lành dựa trên cơ chế liên kết ion thuận nghịch giữa ion kim loại Fe3+ và copolyme nhiệt dẻo chứa 4-vinylpyridine, stearyl methacrylate và methacrylic acid. Mục tiêu chính là tạo ra hệ vật liệu vừa có khả năng tự lành hiệu quả ở nhiệt độ thường, vừa đảm bảo tính cơ lý cao với ứng suất kéo đứt đạt trên 1,5 MPa và hiệu suất chữa lành trên 50%. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP. HCM trong giai đoạn từ tháng 2/2022 đến tháng 4/2023. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần nâng cao hiểu biết về vật liệu polyme tự lành mà còn mở ra hướng phát triển mới cho các ứng dụng công nghiệp và khoa học trình độ cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: cơ chế tự lành dựa trên liên kết ion thuận nghịch và hiệu ứng nhớ hình của polyme. Liên kết ion là tương tác tĩnh điện giữa các ion trái dấu, có tính thuận nghịch cao, cho phép vật liệu tự phục hồi các vết nứt dưới điều kiện thường. Cơ chế này được tăng cường nhờ sự hiện diện của nhóm chức pyridine và carboxylic trong copolyme, tạo mạng lưới liên kết ion với ion Fe3+.

Hiệu ứng nhớ hình được ứng dụng thông qua việc trộn hợp đan xen polyurethane chứa phân đoạn polycaprolactone (PCL), giúp vật liệu có khả năng khép miệng vết cắt nhanh chóng và tăng cường độ bền kéo. Polyurethane đóng vai trò như pha cứng với các liên kết urethane tạo liên kết hydro, hỗ trợ tương hợp và tăng cường cơ tính cho hệ vật liệu. Các khái niệm chính bao gồm: liên kết ion thuận nghịch, copolyme nhiệt dẻo, hiệu ứng nhớ hình dựa trên nhiệt, và mạng lưới liên kết vật lý.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu vật liệu tổng hợp trong phòng thí nghiệm của Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM. Cỡ mẫu gồm các copolyme với tỷ lệ thành phần khác nhau và các hệ trộn hợp ion Fe3+ với tỷ lệ khối lượng đa dạng. Phương pháp chọn mẫu là tổng hợp copolyme ngẫu nhiên (random copolymerization) và trộn hợp đan xen với polyurethane nhằm tối ưu hóa tính chất vật liệu.

Phân tích cấu trúc và thành phần copolyme được thực hiện bằng phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton (1H-NMR), phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR), và sắc ký gel (GPC) để xác định khối lượng phân tử trung bình và độ đa phân tán. Tính chất nhiệt được khảo sát bằng phương pháp phân tích nhiệt quét vi sai (DSC). Hiệu suất tự lành được đánh giá bằng kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử quét (FE-SEM), kính hiển vi 3D và đo độ hồi phục ứng suất kéo đứt bằng máy kéo mẫu theo tiêu chuẩn ASTM D638-03-Type IV. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 2/2022 đến tháng 4/2023, đảm bảo đủ thời gian tổng hợp, phân tích và đánh giá các hệ vật liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp copolyme P(4VP-r-SMA-r-MAA) thành công với khối lượng phân tử trung bình số Mn khoảng 45.000 g/mol và độ đa phân tán PDI ~1.3, cho thấy hiệu suất tổng hợp cao và cấu trúc đồng đều. Phổ 1H-NMR xác nhận tỷ lệ thành phần monome gần với thiết kế ban đầu, đảm bảo tính chính xác của copolyme.

  2. Tạo mạng lưới liên kết ion với Fe3+: Quá trình trộn hợp copolyme với ion Fe3+ tạo ra hệ vật liệu có ứng suất kéo đứt cực đại đạt 1,55 MPa, tăng khoảng 30% so với copolyme nền chưa trộn hợp. Hiệu suất tự lành dựa trên độ hồi phục ứng suất kéo đạt đến 90% sau 24 giờ ở nhiệt độ phòng, thể hiện khả năng tự phục hồi vượt trội.

  3. Trộn hợp đan xen với polyurethane (PU) chứa phân đoạn polycaprolactone giúp tăng cường cơ tính đáng kể, với ứng suất kéo đứt tăng lên 2,54 MPa, cao hơn 63% so với hệ vật liệu ion đơn thuần. Hiệu suất tự lành vẫn duy trì trên 80%, nhờ hiệu ứng nhớ hình hỗ trợ khép miệng vết cắt nhanh chóng.

  4. Đánh giá bằng kính hiển vi 3D và FE-SEM cho thấy vết cắt trên mẫu vật liệu được làm lành gần như hoàn toàn sau 24 giờ, với bề mặt mịn và không còn dấu hiệu nứt gãy. Biểu đồ ứng suất-biến dạng kéo minh họa rõ sự cải thiện cơ tính qua từng bước trộn hợp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện tính chất cơ lý và hiệu suất tự lành là do mạng lưới liên kết ion thuận nghịch giữa Fe3+ và nhóm pyridine, carboxyl trong copolyme tạo ra các điểm nối mạng vật lý linh động, giúp vật liệu có thể tái cấu trúc sau khi bị phá hủy. Việc bổ sung polyurethane với phân đoạn PCL bán kết tinh không chỉ tăng cường độ bền kéo mà còn mang lại hiệu ứng nhớ hình, giúp khép miệng vết nứt nhanh hơn, từ đó nâng cao hiệu quả chữa lành.

So sánh với các nghiên cứu trước đây về vật liệu tự lành dựa trên liên kết ion, hệ vật liệu trong luận văn này đạt hiệu suất chữa lành và cơ tính cao hơn đáng kể, đồng thời hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ phòng, phù hợp với điều kiện ứng dụng thực tế. Kết quả này khẳng định tính khả thi của việc kết hợp copolyme chứa 4-vinylpyridine với ion Fe3+ và polyurethane để tạo ra vật liệu tự lành có tính năng ưu việt.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa tỷ lệ trộn hợp ion Fe3+ nhằm cân bằng giữa độ bền cơ học và hiệu suất tự lành, ưu tiên tỷ lệ cho hiệu suất chữa lành trên 85% trong vòng 24 giờ ở nhiệt độ phòng. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu vật liệu polyme, thời gian 6 tháng.

  2. Phát triển quy trình sản xuất copolyme quy mô lớn với kiểm soát chặt chẽ khối lượng phân tử và thành phần monome để đảm bảo tính đồng nhất và ổn định của vật liệu. Chủ thể: phòng thí nghiệm công nghệ vật liệu, thời gian 1 năm.

  3. Nghiên cứu ứng dụng hiệu ứng nhớ hình trong các hệ vật liệu tự lành khác nhằm mở rộng phạm vi ứng dụng trong các sản phẩm cần khả năng tự phục hồi nhanh và độ bền cao. Chủ thể: viện nghiên cứu vật liệu, thời gian 1 năm.

  4. Khảo sát tính bền vững và khả năng tái chế của vật liệu tự lành để đánh giá tác động môi trường và tiềm năng thương mại hóa. Chủ thể: nhóm nghiên cứu môi trường và vật liệu, thời gian 1 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và phát triển vật liệu polyme: Luận văn cung cấp phương pháp tổng hợp copolyme mới và cơ chế liên kết ion thuận nghịch, giúp phát triển vật liệu tự lành có tính năng ưu việt.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu công nghiệp: Tham khảo để ứng dụng công nghệ tổng hợp copolyme và trộn hợp ion Fe3+ nhằm tạo ra sản phẩm polyme tự lành có độ bền cao, giảm chi phí bảo trì.

  3. Chuyên gia trong lĩnh vực y sinh và thiết bị y tế: Vật liệu tự lành có thể ứng dụng trong sản xuất màng phủ, thiết bị y tế có khả năng tự phục hồi, tăng độ an toàn và tuổi thọ sản phẩm.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật vật liệu: Tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình tổng hợp, phân tích và đánh giá vật liệu polyme tự lành, hỗ trợ nghiên cứu và học tập chuyên sâu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu tự lành hoạt động dựa trên cơ chế nào?
    Vật liệu tự lành trong nghiên cứu này dựa trên liên kết ion thuận nghịch giữa ion Fe3+ và nhóm chức pyridine, carboxyl trong copolyme, cho phép tái tạo liên kết sau khi bị phá hủy, giúp vật liệu tự phục hồi vết nứt ở nhiệt độ phòng.

  2. Hiệu suất tự lành được đánh giá như thế nào?
    Hiệu suất tự lành được đo bằng tỷ lệ hồi phục ứng suất kéo đứt sau khi vật liệu bị cắt và để tự phục hồi trong 24 giờ. Hệ vật liệu ion đạt hiệu suất lên đến 90%, hệ trộn hợp với PU đạt trên 80%.

  3. Tại sao cần trộn hợp polyurethane vào hệ vật liệu?
    Polyurethane chứa phân đoạn polycaprolactone có hiệu ứng nhớ hình, giúp khép miệng vết cắt nhanh hơn và tăng cường độ bền kéo, từ đó nâng cao hiệu quả chữa lành và tính cơ lý của vật liệu.

  4. Phương pháp tổng hợp copolyme có phức tạp không?
    Quy trình tổng hợp copolyme gồm hai bước chính: đồng trùng hợp các monome và thủy phân nhóm chức bảo vệ, sử dụng các thiết bị phổ biến như UV, FT-IR, 1H-NMR, đảm bảo đơn giản và khả thi cho sản xuất quy mô phòng thí nghiệm.

  5. Vật liệu này có thể ứng dụng trong những lĩnh vực nào?
    Vật liệu tự lành có thể ứng dụng trong sản xuất màng phủ chống trầy xước, thiết bị y tế, linh kiện điện tử, và các sản phẩm công nghiệp cần độ bền cao và khả năng tự phục hồi, đặc biệt trong môi trường khó tiếp cận sửa chữa.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công copolyme nhiệt dẻo P(4VP-r-SMA-r-MAA) với khối lượng phân tử trung bình Mn ~45.000 g/mol và độ đa phân tán PDI ~1.3.
  • Tạo được vật liệu tự lành dựa trên mạng lưới liên kết ion giữa Fe3+ và copolyme với ứng suất kéo đứt đạt 1,55 MPa và hiệu suất chữa lành 90% ở nhiệt độ phòng.
  • Trộn hợp đan xen polyurethane chứa phân đoạn polycaprolactone giúp tăng cường cơ tính lên 2,54 MPa và duy trì hiệu suất tự lành trên 80%.
  • Kết quả đánh giá bằng kính hiển vi và phương pháp cơ tính chứng minh hiệu quả chữa lành và tính ổn định của vật liệu.
  • Đề xuất tiếp tục tối ưu tỷ lệ trộn hợp, mở rộng quy mô sản xuất và nghiên cứu ứng dụng hiệu ứng nhớ hình để nâng cao tính năng vật liệu.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu mới cho vật liệu polyme tự lành có tính năng cơ lý cao và khả năng tự phục hồi hiệu quả, phù hợp với nhiều ứng dụng công nghiệp hiện đại. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích áp dụng và phát triển tiếp theo để đưa vật liệu này vào thực tiễn.