Tổng Hợp Vật Liệu Nanocomposite CeO2 và Ứng Dụng Chống Tia UV cho Lớp Phủ Polyurethane

LỜI CAM ĐOAN

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Giới thiệu chung về ứng dụng vật liệu nano cho lớp phủ polyurethane

1.2. Cấu trúc và tính chất của polyurethane

1.3. Các phương pháp tổng hợp PU

1.3.1. Phương pháp tổng hợp PU một bước

1.3.2. Phương pháp tổng hợp PU hai bước

1.4. Tăng cường tính kháng tia UV cho polyurethane bằng các chất phụ gia

1.4.1. Nguyên tắc chung để tăng cường kháng tia UV

1.4.2. Tăng cường khả năng kháng tia UV cho lớp phủ PU bằng nano vô cơ

1.5. Vật liệu nano trên cơ sở CeO2 ứng dụng trong lớp phủ polyurethane

1.5.1. Giới thiệu chung về vật liệu nano CeO2

1.5.2. Ứng dụng của nano CeO2

1.5.3. Tổng hợp vật liệu nano trên cơ sở CeO2

1.6. Phương pháp phân tán vật liệu nanocomposite trong nền polyurethane

1.6.1. Phân tán vật liệu nano bằng phương pháp xử lý nóng chảy

1.6.2. Phân tán vật liệu nano bằng phương pháp pha trộn dung dịch

1.6.3. Phân tán vật liệu nano bằng phương pháp trùng hợp tại chỗ

2. THÍ NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Hóa chất và thiết bị

2.2. Thiết bị và dụng cụ

2.3. Tổng hợp vật liệu

2.3.1. Tổng hợp vật liệu nano CeO2, nano Fe2O3, nano SiO2

2.3.2. Tổng hợp vật liệu CeO2-SiO2

2.3.3. Tổng hợp vật liệu CeO2-Fe2O3@SiO2

2.4. Phân tán vật liệu nano vào lớp phủ polyurethane

2.5. Các phương pháp phân tích cấu trúc của vật liệu

2.5.1. Phương pháp phân tích nhiệt khối lượng (TGA)

2.5.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)

2.5.3. Phương pháp kính hiển vi điện tử (SEM, TEM)

2.5.4. Phương pháp phổ tử ngoại-khả kiến (UV-Vis, UV-Vis-DR)

2.5.5. Phương pháp phổ hồng ngoại (FT-IR)

2.6. Các phương pháp phân tích tính chất của lớp phủ

2.6.1. Thí nghiệm thử nghiệm gia tác thời tiết trong tủ QUV

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Đặc trưng cấu trúc và hình thái của vật liệu nano CeO2, nano Fe2O3, nano SiO2

3.1.1. Đặc trưng cấu trúc và hình thái hạt nano CeO2

3.1.2. Đặc trưng cấu trúc và hình thái hạt nano Fe2O3

3.1.3. Đặc trưng cấu trúc và hình thái hạt nano SiO2

3.2. Đặc trưng cấu trúc và hình thái của vật liệu nanocomposite CeO2-SiO2

3.2.1. Cấu trúc tinh thể của vật liệu nanocomposite CeO2-SiO2

3.2.2. Phân tích FT-IR, Ảnh SEM và EDX của nanocomposite CeO2-SiO2

3.3. Đặc trưng cấu trúc và hình thái của vật liệu nanocomposite CeO2-Fe2O3@SiO2

3.3.1. Cấu trúc tinh thể của vật liệu CeO2-Fe2O3@SiO2

3.3.2. Phổ FT-IR của hạt nano CeO2-Fe2O3@SiO2

3.3.3. Phân tích TEM và EDX của hạt nano CeO2-Fe2O3@SiO2

3.4. Ảnh hưởng của vật liệu nano đến các tính chất lớp phủ polyurethane

3.4.1. Khả năng phân tán vật liệu nano CeO2, nano Fe2O3, nano SiO2 trong PU

3.4.2. Khả năng phân tán vật liệu nanocomposites trong lớp phủ PU

3.4.3. Ảnh hưởng của vật liệu nano CeO2 đến khả năng kháng tia UV của lớp phủ PU

3.4.4. Ảnh hưởng của vật liệu nanocomposite CeO2-SiO2 đến khả năng kháng tia UV của lớp phủ PU

3.4.5. Ảnh hưởng của vật liệu nanocomposite CeO2-Fe2O3@SiO2 đến khả năng kháng tia UV của lớp phủ PU

3.4.6. Ảnh hưởng của vật liệu CFS đến liên kết của lớp phủ PU

3.5. Ảnh hưởng của vật liệu nanocomposite trên cơ sở CeO2 đến độ ổn định nhiệt của lớp phủ PU

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH

I. Tổng Quan Vật Liệu Nanocomposite CeO2 và Lớp Phủ PU

Các lớp phủ polymer, đặc biệt là polyurethane (PU) và polyester, đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Nổi bật là giao thông vận tải, nội thất, ô tô và công nghiệp dệt may. Thị trường PU đang có sự tăng trưởng mạnh mẽ, cho thấy sự quan tâm lớn từ giới khoa học đối với việc phát triển loại vật liệu này. Tuy nhiên, dù có độ bền tương đối cao, lớp phủ PU vẫn bị xuống cấp khi tiếp xúc lâu dài với tia UV, nhiệt độ cao, độ ẩm, oxy và các chất ô nhiễm. Theo [1,2,3], sự xuống cấp này làm giảm tuổi thọ của lớp phủ, đòi hỏi phải phát triển các phương pháp mới để cải thiện hiệu quả bảo vệ. Việc sử dụng vật liệu nanocomposite CeO2 được xem là một giải pháp tiềm năng.

1.1. Giới thiệu về Vật liệu Nanocomposite CeO2 Chống Tia UV

Vật liệu nanocomposite CeO2 đang thu hút sự chú ý nhờ các đặc tính ưu việt như độ ổn định cao, độ bền tốt và tính không độc hại. CeO2 có độ rộng vùng cấm khoảng 3.25 eV, cho thấy khả năng hấp thụ tia UV lớn. Bên cạnh đó, quá trình tái tổ hợp điện tử lỗ trống diễn ra nhanh chóng, làm tăng hiệu quả chống tia UV của hạt CeO2 [7]. Chính vì thế, CeO2 được ứng dụng nhiều trong các lớp phủ bảo vệ, đặc biệt là trong lớp phủ polyurethane.

1.2. Ứng Dụng Lớp Phủ Polyurethane trong Đời Sống và Công Nghiệp

Lớp phủ polyurethane có nhiều ưu điểm như khả năng tạo màng tốt, độ bám dính cao và khả năng chống chịu hóa chất tốt. Nhờ đó, nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như sơn phủ ô tô, đồ gỗ, vật liệu xây dựng và dệt may [1,2]. Tuy nhiên, khả năng chống tia UV của lớp phủ polyurethane thuần túy còn hạn chế. Do đó, việc bổ sung các chất phụ gia, đặc biệt là vật liệu nanocomposite CeO2, là cần thiết để nâng cao tuổi thọ và hiệu quả bảo vệ của lớp phủ.

II. Thách Thức Lớp Phủ Polyurethane và Tác Động của Tia UV

Mặc dù có nhiều ưu điểm, lớp phủ polyurethane vẫn đối mặt với thách thức lớn từ tác động của tia UV. Khi tiếp xúc với tia UV, các liên kết hóa học trong polyurethane có thể bị phá vỡ, dẫn đến hiện tượng bạc màu, nứt nẻ và giảm độ bền cơ học. Theo [4,6], quá trình này làm giảm đáng kể tuổi thọ và tính thẩm mỹ của lớp phủ. Do đó, việc tìm kiếm các giải pháp hiệu quả để bảo vệ lớp phủ polyurethane khỏi tác động của tia UV là vô cùng quan trọng.

2.1. Cơ Chế Phân Hủy Polyurethane Dưới Tác Động Của Tia UV

Tia UV có năng lượng cao có thể phá vỡ các liên kết hóa học trong polyurethane, đặc biệt là liên kết urethane. Quá trình này tạo ra các gốc tự do, thúc đẩy các phản ứng phân hủy dây chuyền, dẫn đến sự suy giảm chất lượng của lớp phủ. Các yếu tố như cường độ tia UV, thời gian tiếp xúc và thành phần của polyurethane có thể ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy.

2.2. Vật Liệu Chống Tia UV Truyền Thống Ưu Điểm và Hạn Chế

Các chất phụ gia chống tia UV truyền thống, chẳng hạn như các hợp chất hữu cơ, có thể hấp thụ năng lượng tia UV và chuyển đổi nó thành nhiệt. Tuy nhiên, những chất này thường có độ bền kém và dễ bị phân hủy dưới tác động của tia UV trong thời gian dài [6]. Bên cạnh đó, chúng có thể di chuyển ra khỏi lớp phủ, làm giảm hiệu quả bảo vệ. Do đó, cần tìm kiếm các vật liệu chống tia UV bền vững và hiệu quả hơn.

2.3. Phân Tán Nano Không Đều và Sự Kết Tụ Vật Liệu Nanocomposite

Một trong những thách thức lớn khi sử dụng vật liệu nano là đảm bảo sự phân tán đồng đều trong nền polymer. Các hạt nano có xu hướng kết tụ lại với nhau do lực hút Van der Waals, làm giảm diện tích bề mặt tiếp xúc và hiệu quả bảo vệ. Do đó, cần có các phương pháp phân tán hiệu quả để tận dụng tối đa tiềm năng của vật liệu nano.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Vật Liệu Nanocomposite CeO2 Hiệu Quả

Luận án tập trung vào phương pháp tổng hợp vật liệu nanocomposite CeO2 bằng kỹ thuật đốt cháy gel sử dụng polyvinyl alcohol (PVA) làm tiền chất. Kỹ thuật này cho phép kiểm soát kích thước hạt và cấu trúc của vật liệu một cách hiệu quả. Theo [9], việc sử dụng PVA giúp tạo ra một mạng lưới polymer bao quanh các ion kim loại, ngăn chặn sự kết tụ và đảm bảo sự phân tán đồng đều của các hạt nano.

3.1. Kỹ Thuật Đốt Cháy Gel PVA Ưu Điểm và Quy Trình

Kỹ thuật đốt cháy gel PVA có nhiều ưu điểm như đơn giản, chi phí thấp và khả năng tạo ra vật liệu nano với kích thước và hình dạng mong muốn. Quy trình bao gồm việc hòa tan các tiền chất kim loại và PVA trong dung môi, sau đó đun nóng để tạo thành gel. Gel này sau đó được đốt cháy để loại bỏ các chất hữu cơ và tạo thành vật liệu nano oxide.

3.2. Kiểm Soát Kích Thước Hạt Nano CeO2 Bằng Phương Pháp Đốt Cháy Gel

Kích thước hạt nano CeO2 có ảnh hưởng lớn đến khả năng chống tia UV của lớp phủ. Kỹ thuật đốt cháy gel PVA cho phép kiểm soát kích thước hạt bằng cách điều chỉnh các thông số như nồng độ tiền chất, nhiệt độ đốt cháy và thời gian đốt cháy. Kích thước hạt nhỏ giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc và cải thiện khả năng hấp thụ tia UV.

3.3. Kết Hợp CeO2 với SiO2 và Fe2O3 Tạo Vật Liệu Nanocomposite Đa Chức Năng

Việc kết hợp CeO2 với các oxide khác như SiO2 và Fe2O3 có thể tạo ra vật liệu nanocomposite với các tính chất ưu việt hơn. SiO2 có thể cải thiện khả năng phân tán của CeO2 trong nền polymer, trong khi Fe2O3 có thể tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy. Sự kết hợp này tạo ra vật liệu có khả năng bảo vệ toàn diện hơn cho lớp phủ polyurethane.

IV. Ứng Dụng Đánh Giá Hiệu Quả Chống Tia UV Của Lớp Phủ PU CeO2

Luận án tiến hành đánh giá hiệu quả chống tia UV của lớp phủ polyurethane có chứa vật liệu nanocomposite CeO2 thông qua các thử nghiệm gia tốc thời tiết. Các mẫu được chiếu xạ bằng tia UV trong một khoảng thời gian nhất định, sau đó được đánh giá về sự thay đổi màu sắc, độ bóng và tính chất cơ học. Kết quả cho thấy việc bổ sung CeO2 giúp cải thiện đáng kể khả năng chống tia UV của lớp phủ polyurethane.

4.1. Thử Nghiệm Gia Tốc Thời Tiết Phương Pháp Đánh Giá Độ Bền Vật Liệu

Thử nghiệm gia tốc thời tiết là một phương pháp quan trọng để đánh giá độ bền của vật liệu trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt. Các mẫu được tiếp xúc với các yếu tố như tia UV, nhiệt độ cao, độ ẩm và phun muối để mô phỏng quá trình lão hóa tự nhiên. Sự thay đổi về tính chất của vật liệu được theo dõi và đánh giá để dự đoán tuổi thọ thực tế.

4.2. Phân Tích FT IR và UV Vis Xác Định Cơ Chế Chống Tia UV Của CeO2

Phân tích FT-IR và UV-Vis được sử dụng để xác định cơ chế chống tia UV của CeO2 trong lớp phủ polyurethane. Phân tích FT-IR cho phép theo dõi sự thay đổi của các liên kết hóa học trong polyurethane dưới tác động của tia UV. Phân tích UV-Vis cho phép xác định khả năng hấp thụ tia UV của vật liệu nanocomposite CeO2.

4.3. Kết Quả Nghiên Cứu CeO2 Cải Thiện Độ Bền Màu và Độ Bóng Lớp Phủ

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc bổ sung vật liệu nanocomposite CeO2 giúp cải thiện đáng kể độ bền màu và độ bóng của lớp phủ polyurethane sau khi tiếp xúc với tia UV. Điều này chứng tỏ CeO2 có khả năng bảo vệ hiệu quả lớp phủ polyurethane khỏi quá trình phân hủy do tia UV.

V. Kết Luận Triển Vọng Ứng Dụng Nanocomposite CeO2 Chống UV

Nghiên cứu đã chứng minh tiềm năng to lớn của vật liệu nanocomposite CeO2 trong việc cải thiện khả năng chống tia UV của lớp phủ polyurethane. Phương pháp tổng hợp bằng đốt cháy gel PVA giúp tạo ra vật liệu có kích thước và cấu trúc phù hợp cho ứng dụng này. Việc tiếp tục nghiên cứu và tối ưu hóa quy trình có thể mở ra nhiều cơ hội ứng dụng thực tiễn trong các ngành công nghiệp khác nhau, góp phần nâng cao chất lượng và tuổi thọ sản phẩm.

5.1. Ưu Điểm Vượt Trội của CeO2 So Với Các Vật Liệu Chống UV Khác

CeO2 có nhiều ưu điểm so với các vật liệu chống UV khác như TiO2 và ZnO, bao gồm độ ổn định cao, khả năng hấp thụ tia UV rộng và ít độc hại hơn. Điều này làm cho CeO2 trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho các ứng dụng đòi hỏi độ bền và an toàn cao.

5.2. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Tối Ưu Hóa Quy Trình và Ứng Dụng Mở Rộng

Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp và phân tán vật liệu nanocomposite CeO2 để đạt được hiệu quả bảo vệ cao nhất. Ngoài ra, việc mở rộng ứng dụng của CeO2 sang các lĩnh vực khác như mỹ phẩm, dệt may và vật liệu xây dựng cũng là một hướng đi đầy tiềm năng.

Tổng Hợp Vật Liệu Nanocomposite Trên Cơ Sở CeO2 và Ứng Dụng Chống Tia UV Của Lớp Phủ Polyurethane