(Đồ án HCMUTE) nghiên cứu chế tạo sợi polycaprolactone (PLC) cấu trúc xốp bằng phương pháp electrospinning ứng dụng trong máy phát điện nano

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO SỢI
POLYCAPROLACTONE (PCL) CẤU TRÚC XỐP
BẰNG PHƯƠNG PHÁP ELECTROSPINNING ỨNG
DỤNG TRONG MÁY PHÁT ĐIỆN NANO

GVHD: NGUYỄN VŨ VIỆT LINH
BÙI VĂN TIẾN
SVTH : VŨ THỊ KIỀU TIÊN
NGUYỄN NGỌC TUYỀN

SKL 0 08120

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 08/2021

i


TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP

Đề tài: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO SỢI POLYCAPROLACTONE

(PCL) CẤU TRÚC XỐP BẰNG PHƢƠNG PHÁP
ELECTROSPINNING ỨNG DỤNG TRONG MÁY PHÁT ĐIỆN
NANO

TS. Nguyễn Vũ Việt Linh

GVHD:

TS. Bùi Văn Tiến
Nhóm SVTH:

Vũ Thị Kiều Tiên

17130046

Nguyễn Ngọc Tuyền

17130052

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 08 năm 2021

i


TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ VẬT LIỆU

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP

Đề tài: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO SỢI POLYCAPROLACTONE
(PCL) CẤU TRÚC XỐP BẰNG PHƢƠNG PHÁP
ELECTROSPINNING ỨNG DỤNG TRONG MÁY PHÁT ĐIỆN
NANO

TS. Nguyễn Vũ Việt Linh

GVHD:

TS. Bùi Văn Tiến
Nhóm SVTH:

Vũ Thị Kiều Tiên

17130046

Nguyễn Ngọc Tuyền

17130052

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 08 năm 2021

i


TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

BM CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU
Tp Hồ Ch Minh ng y

th ng năm

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Giảng viên hƣớng dẫn: TS. NGUYỄN VŨ VIỆT LINH 1
TS. BÙI VĂN TIẾN 2
Cơ quan công t c của giảng viên hƣớng dẫn:
1

Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh.

2

Đại học Bách Khoa - Đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh.

Sinh viên thực hiện: 1. NGUYỄN NGỌC TUYỀN
VŨ THỊ KIỀU TIÊN

MSSV: 17130052
MSSV: 17130046

1. Tên đề tài:
“NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO SỢI POLYCAPROLACTONE (PCL) CẤU TRÚC
XỐP BẰNG PHƢƠNG PHÁP ELECTROSPINNING ỨNG DỤNG TRONG
MÁY PHÁT ĐIỆN NANO”

2. Nội dung chính của khóa luận:
 Tổng quan tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu.
 Khảo sát các thơng số ảnh hƣởng đến q trình hình thành sợi PCL cấu trúc xốp nhƣ
dung môi, nồng độ polymer, thông số gia công (khoảng c ch phun điện p đặt
vào,...).
 Đ nh gi kết quả tạo sợi bằng c c phƣơng ph p k nh hiển vi, SEM.
 Ứng dụng sợi PCL có cấu trúc xốp v o m y ph t điện nano.
 Khảo sát sự thay đổi và khả năng ứng dụng sợi PCL cấu trúc xốp v o m y ph t điện
nano thông qua các thơng số: hiệu điện thế, tần số, chu kì hoạt động từ đó t nh to n
cơng suất, thời gian làm việc của máy ph t điện (sử dụng m y đo hiện sóng
Oscilloscope để đo)

i


3. Các sản phẩm dự kiến: Sợi PCL cấu trúc xốp.
4. Ngày giao đồ án: 01/03/2021
5. Ngày nộp đồ án: 25/08/2021
6. Ngơn ngữ trình bày:

Bản báo cáo:

Tiếng Anh



Tiếng Việt



Trình bày bảo vệ:

Tiếng Anh



Tiếng Việt



GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN1

TRƢỞNG BỘ MÔN
(Ký, ghi rõ họ tên)

(Ký, ghi rõ họ tên)

TS NGUYỄN VŨ VIỆT LINH
GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN2
(Ký, ghi rõ họ tên)

TS BÙI VĂN TIẾN

i


KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
*******

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN
Họ và tên Sinh viên: NGUYỄN NGỌC TUYỀN

MSSV: 17130052

Ngành: Công nghệ vật liệu
Tên đề tài: “Nghiên cứu chế tạo sợi Polycaprolactone (PCL) cấu trúc xốp bằng phƣơng
pháp electrospinning ứng dụng trong m y ph t điện nano”
Họ v tên Gi o viên hƣớng dẫn: TS. NGUYỄN VŨ VIỆT LINH 1
TS. BÙI VĂN TIẾN 2
Cơ quan công t c của GV hƣớng dẫn:
1

Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
2

Địa chỉ: 1Số
2

Đại học Bách Khoa - Đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh.

Võ Văn Ngân P.Linh Chiểu, Tp.Thủ Đức, HCM

68 Lý Thƣờng Kiệt, P.14, Q.10, Tp.HCM

NHẬN XÉT
1. Về nội dung đề tài và khối lƣợng thực hiện:

............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
2. Tinh thần học tập, nghiên cứu của sinh viên:
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
3. Ƣu điểm:
............................................................................................................................................

i


............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
4. Khuyết điểm:
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
5. Đề nghị cho bảo vệ hay không?
............................................................................................................................................
6. Điểm: .............................................................(Bằng chữ: ............................................... )

Tp. Hồ Chí Minh, ngày …. tháng … năm 20…
Gi o viên hƣớng dẫn
(Ký & ghi rõ họ tên)

i


KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
*******

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN
Họ và tên Sinh viên: VŨ THỊ KIỀU TIÊN

MSSV: 17130046

Ngành: Công nghệ vật liệu
Tên đề tài: “Nghiên cứu chế tạo sợi Polycaprolactone (PCL) cấu trúc xốp bằng phƣơng
pháp electrospinning ứng dụng trong m y ph t điện nano”
Họ v tên Gi o viên hƣớng dẫn: TS. NGUYỄN VŨ VIỆT LINH 1
TS. BÙI VĂN TIẾN 2
Cơ quan công t c của GV hƣớng dẫn:
1

Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

2

Địa chỉ: 1Số
2

Đại học Bách Khoa - Đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh.

Võ Văn Ngân P.Linh Chiểu, Tp.Thủ Đức, HCM

68 Lý Thƣờng Kiệt, P.14, Q.10, Tp.HCM

NHẬN XÉT
1. Về nội dung đề tài và khối lƣợng thực hiện:
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
2. Tinh thần học tập, nghiên cứu của sinh viên:
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
3. Ƣu điểm:

i


................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
4. Khuyết điểm:
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................

5. Đề nghị cho bảo vệ hay không?
................................................................................................................................................
6. Điểm: ..................................................................(Bằng chữ: ............................................... )

Tp. Hồ Chí Minh, ngày …. tháng … năm 20…
Gi o viên hƣớng dẫn
(Ký & ghi rõ họ tên)

i


KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
*******

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Họ và tên Sinh viên: 1. NGUYỄN NGỌC TUYỀN
VŨ THỊ KIỀU TIÊN

MSSV: 17130052
MSSV: 17130046

Ngành: Công nghệ vật liệu
Tên đề tài: “Nghiên cứu chế tạo sợi Polycaprolactone (PCL) cấu trúc xốp bằng phƣơng
pháp electrospinning ứng dụng trong m y ph t điện nano”
Họ và tên Giáo viên phản biện: .............................................................................................
Cơ quan công t c của GV phản biện: ...................................................................................

NHẬN XÉT
1. Về nội dung đề tài và khối lƣợng thực hiện:
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
2. Tinh thần học tập, nghiên cứu của sinh viên:
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
3. Ƣu điểm:
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................
4. Khuyết điểm:
............................................................................................................................................
............................................................................................................................................

i


............................................................................................................................................
5. Đề nghị cho bảo vệ hay không?
............................................................................................................................................
6. Điểm: .............................................................(Bằng chữ: ............................................... )

Tp. Hồ Chí Minh, ngày …. tháng … năm 20…
Giáo viên phản biện

(Ký & ghi rõ họ tên)

i


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp này là nghiên cứu riêng của nhóm chúng
tơi Dƣới sự hƣớng dẫn của TS. Nguyễn Vũ Việt Linh v TS Bùi Văn Tiến. Chúng tôi
xin cam đoan c c số liệu đƣợc báo cáo trong luận văn n y do ch nh chúng tơi thực hiện
và xin hồn tồn chịu trách nhiệm về nội dung của khóa luận. Các số liệu và kết quả
trong luận văn tốt nghiệp thuộc quyền sở hữu của giảng viên hƣớng dẫn. Kết quả chỉ sử
dụng để hoàn thành luận văn tốt nghiệp tại khoa Khoa học ứng dụng - Trƣờng Đại học
Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. HCM. Chỉ TS. Nguyễn Vũ Việt Linh v TS Bùi Văn Tiến đƣợc
quyền sử dụng c c kết quả nghiên cứu n y để công bố khoa học.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 08 năm 2021

i


LỜI CẢM ƠN
Trên thực tế khơng có sự thành cơng nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ,
giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của ngƣời khác. Trong suốt thời gian
từ khi bắt đầu làm khóa luận đến nay, nhóm em đã nhận đƣợc rất nhiều sự quan tâm,
giúp đỡ của quý thầy cơ và bạn bè.
Với lịng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý thầy cô ở Khoa Khoa học ứng
dụng – Trƣờng Đại Học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Ch Minh đã cùng với tri
thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong
suốt thời gian học tập tại trƣờng. Nhóm em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô
của Trung tâm polymer Trƣờng đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Ch Minh đã hỗ
trợ các thiết bị cần thiết cho việc ho n th nh đồ án. Em xin chân thành cảm ơn cô

Nguyễn Vũ Việt Linh và thầy Bùi Văn Tiến đã tận tâm hƣớng dẫn chúng em qua từng
buổi hƣớng dẫn trên khoa cũng nhƣ những buổi nói chuyện, thảo luận về đề tài. Nếu
khơng có những lời hƣớng dẫn, dạy bảo của thầy, cơ thì khóa luận của nhóm em rất
khó có thể hoàn thiện đƣợc. Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn thầy, cô.
Mặc dù đã cố gắng để thực hiện đề t i nhƣng khi tiến h nh bƣớc đầu tìm hiểu,
thực hiện đề tài kiến thức của tụi em còn nhiều hạn chế và bỡ ngỡ. Do vậy, khơng tránh
khỏi những thiếu sót l điều chắc chắn, em rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp
quý báu của quý thầy cô và các bạn học để kiến thức của em trong lĩnh vực n y đƣợc
hoàn thiện hơn
Sau cùng nhóm em xin chúc q thầy cơ luôn mạnh khỏe, vui vẻ và thành công
trong sự nghiệp trồng ngƣời.
TP. HCM, ngày 25 tháng 08 năm 2021
Sinh viên thực hiện
(Ký và ghi họ tên)

Vũ Thị Kiều Tiên Nguyễn Ngọc Tuyền

i

i


TÓM TẮT
Đề t i “Nghiên cứu chế tạo sợi micro polycaprolactone (PCL) cấu trúc xốp bằng
phƣơng ph p electrospinning ứng dụng trong m y ph t điện nano” sẽ tiến hành nghiên
cứu các thơng số ảnh hƣởng đến hình th i v k ch thƣớc sợi PCL đƣợc chế tạo bằng
phƣơng ph p electrospinning v sử dụng các thông số tối ƣu nhất để chế tạo sợi micro
electrospun PCL cấu trúc xốp ứng dụng trong m y ph t điện nano. Các thông số khảo
sát bao gồm: nồng độ dung dịch polymer, dung môi, hiệu điện thế đặt v o lƣu lƣợng
phun, khoảng cách từ đầu kim đến bảng thu, loại đầu kim sử dụng khi dùng phƣơng

ph p electrospinning để chế tạo sợi. Các khảo sát trên thu đƣợc thơng số thích hợp
dùng để chế tạo sợi micro electrospun PCL cấu trúc xốp bằng phƣơng ph p
electrospinning: nồng độ dung dịch PCL 27% khối lƣợng (kl), sử dụng dung môi
dichloromethan (DCM) điện p đặt vào là 15 kV lƣu lƣợng phun 0,3 ml/h, khoảng
cách từ đầu kim tới bảng thu là 17,5 cm, sử dụng đầu kim 23 G cho kết quả sợi có cấu
trúc đồng đều về hình th i v k ch thƣớc sợi trong khoảng từ 1,38 µm đến 4,13 µm.
Phƣơng pháp phân tích phổ FT-IR chứng minh rằng phƣơng ph p electrospinning
không ảnh hƣởng đến cấu trúc và tính chất của PCL.
Đo c c t nh chất điện của màng sợi micro electrospun PCL để ứng dụng vào máy
ph t điện nano. Các kết quả chỉ ra rằng màng sợi micro electrospun PCL kết hợp với
màng Polydimethylsiloxane cấu trúc lồi (convex PDMS) cho hiệu quả ph t điện lên tới
188 V hiệu suất cao hơn so với màng phẳng PCL kết hợp với màng convex PDMS là
116 V. Ngoài ra, TENG từ sợi micro electrospun PCL và convex PDMS còn cho hiệu
quả ph t điện tốt ngay khi ở tần số thấp.

ii

i


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................i
TĨM TẮT ........................................................................................................................ii
DANH MỤC HÌNH ........................................................................................................vi
DANH MỤC BẢNG .......................................................................................................ix
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................................... x
PHẦN MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1
CHƢƠNG : TỔNG QUAN ............................................................................................ 3
1.1 Tổng quan về phƣơng ph p electrospinning v sợi electrospun PCL ................... 3
1.1.1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của phƣơng ph p electrospinning ............... 3

1.1.2 Các chế độ phun ............................................................................................... 4
1.1.3 Các thông số ..................................................................................................... 5
1.1.4 Tổng quan về sợi electrospun PCL .................................................................. 8
M y ph t điện nano (triboelectric nanogenerator (TENG)) ................................ 11
1.2.1 Các chế độ hoạt động cơ bản của TENG ....................................................... 12
1.2.2 Tính chất của TENG....................................................................................... 14
1.2.3 Ứng dụng của TENG ...................................................................................... 16
1.2.4 Một số nghiên cứu TENG sử dụng polymer phân hủy sinh học .................... 19
CHƢƠNG : THỰC NGHIỆM ..................................................................................... 23
2.1 Nguyên liệu .......................................................................................................... 23
2.2 Dụng cụ ................................................................................................................ 25
2.3 Thiết bị ................................................................................................................. 28
2.4 Quy trình chế tạo sợi micro electrospun PCL ..................................................... 30
2.5. Quy trình tạo màng phẳng PCL/Chloroform ...................................................... 34
2.6 Quy trình khảo sát các thông số vật liệu khi ứng dụng trong m y ph t điện nano
................................................................................................................................... 36
7 C c phƣơng ph p phân t ch: ................................................................................ 39

iii

i


2.7.1 Kính hiển vi điện tử quang học: (Olympus, model: MX 51 DP 22) .............. 39
2.7.2. Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope - SEM) (Model:
TM4000Plus – HITACHI) ...................................................................................... 39
7

M y đo quang phổ hồng ngoại FT-IR (Model: InfraRed Bruker Tensor 37) 40

2.7.4 Hệ thống m y đo t nh chất điện ..................................................................... 41
2.7.5 Tính tốn và phân tích số liệu ........................................................................ 41
CHƢƠNG : KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ................................................................... 43
3.1 Ảnh hƣởng của bản chất polymer đến quá trình tạo sợi. ..................................... 43
3.2 Ảnh hƣởng của dung mơi đến q trình hình thành sợi ...................................... 44
3.3 Ảnh hƣởng của thơng số gia cơng đến q trình tạo sợi. .................................... 46
3.3.1 Ảnh hƣởng của lƣu lƣợng phun...................................................................... 46
3.3.2 Ảnh hƣởng của điện p đặt vào ..................................................................... 47
3.3.3 Ảnh hƣởng của khoảng cách từ đầu kim tới bảng thu ................................... 50
3.3.4 Ảnh hƣởng của đƣờng k nh đầu kim .............................................................. 51
3.4 Phân tích phổ FTIR .............................................................................................. 52
3.5 Kết quả màng phẳng ............................................................................................ 53
3.6. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình tạo màng ................................................... 55
3.6.1 Nồng độ dung dịch ......................................................................................... 55
3.6.3 Ảnh hƣởng của thông số gia công trong q trình tạo màng ......................... 57
3.7 Khảo sát tính chất điện của màng porous electrospun PCL ứng dụng trong máy
ph t điện nano ............................................................................................................ 60
3.7.1 Điện thế hở mạch............................................................................................ 63
3.7.2 Ảnh hƣởng của tần số đến điện thế của TENG .............................................. 66
3.7.3 Công suất ........................................................................................................ 68
3.7.4 Điện dung ....................................................................................................... 69
3.7.5 TENG ứng dụng cấp nguồn trực tiếp thắp s ng đèn LEDs ............................ 70
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................ 72

iv

i


TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 74

PHỤ LỤC ....................................................................................................................... 79

v

i


DANH MỤC HÌNH
Hình
: Sơ đồ cấu tạo thiết bị electrospinning [5] ....................................................... 4
Hình 1. 2: Các chế độ phun thƣờng gặp [8] ..................................................................... 5
Hình 1. 3: Ảnh hƣởng bản chất polymer đến hình thái cuối cùng của sản phẩm[9]. ...... 6
Hình 1. 4: Cơng thức cấu tạo của PCL [17] ..................................................................... 8
Hình 1. 5: Các ứng dụng của sợi nano đƣợc tổng hợp bằng phƣơng ph p
electrospinning [19] ....................................................................................................... 10
Hình 1. 6: Biểu đồ cơng suất cơ học trung bình đƣợc tạo ra tại các vùng khác nhau của
cơ thể ngƣời khi đi bộ [22] ............................................................................................. 11
Hình 1. 7: Bốn chế độ cơ bản của TENG: a) chế độ tiếp xúc dọc, b) chế độ trƣợt ngang,
c) chế độ điện cực đơn v d) chế độ ba lớp điện cực tự do [28] .................................... 14
Hình 1. 8: a) Mơ hình mô tả hệ thống làm việc. b) Ứng dụng ph t s ng đèn LED [31]16
Hình 9: TENG đƣợc tích hợp trong hệ thống rịng rọc v nh đai thơng minh cung cấp
năng lƣợng cho mạch mã hóa (bao gồm một bộ vi điều khiển và một màn hình
LCD)[34]. ....................................................................................................................... 17
Hình
: A) Sơ đồ ứng dụng SNTS trong máy theo dõi hô hấp. B) Cảm biến TENG
đƣợc gắn chặt trên thắt lƣng trong c c hoạt động h ng ng y kh c nhau để theo dõi hơ
hấp[36] ........................................................................................................................... 18
Hình 1. 11: Các cột mốc nghiên cứu của TENG sử dụng vật liệu có khả năng phân
hủy[38] ........................................................................................................................... 19
Hình

: C c bƣớc chế tạo m ng tơ sợi điện phân và khái niệm thu năng lƣợng ba
điện a) Sơ đồ chế tạo tơ b) Sơ đồ quy trình tạo ra năng lƣợng điện[40]...................... 20
Hình
: Sơ đồ nguyên lý chế tạo PCL/GO-cellulose TENG: Chế tạo lớp sợi PCL /
GO và màng mỏng tƣơng ứng bằng phƣơng ph p đúc v quay điện (Bƣớc-1). Lắp ráp
các lớp dựa trên chế độ phân tách tiếp xúc (Bƣớc 2)[41]. ............................................. 21
Hình
: Sơ đồ quy trình tạo sợi PCL cấu trúc xốp bằng phƣơng ph p electrospinning
........................................................................................................................................ 30
Hình 2. 2: Hịa tan PCL trong dung mơi DCM .............................................................. 31
Hình 2. 3: Hệ electrospinning khi đã lắp xy-lanh v o chƣa p điện .............................. 32
Hình 2. 4: Hệ khi đã đƣợc p điện ................................................................................. 32
Hình 5: Sơ đồ tạo màng phẳng PCL .......................................................................... 34
Hình 2. 6: Rửa siêu âm đế đồng ..................................................................................... 35
Hình 2. 7: Gắn vật liệu vào 2 ngàm của máy ................................................................. 36

vi

i


Hình 2. 8: a) Hộp điều chỉnh tần số; b) Màn hình hiển thị của máy hiện sóng
Oscilloscope ................................................................................................................... 37
Hình 2. 9: Cách lắp mạch khi đo hiệu điện thế đầu ra có mặt của điện trở ................... 37
Hình
: Sơ đồ đo tụ điện .......................................................................................... 38
Hình 2. 11: Kính hiển vi điện tử quang học ................................................................... 39
Hình 2. 12: Kính hiển vi điện tử quét SEM ................................................................... 40
Hình
: M y đo quang phổ hồng ngoại FT-IR......................................................... 40

Hình 2. 14: Hệ thống m y đo t nh chất điện .................................................................. 41
Hình
5: Đo đƣờng kính sợi bằng phần mềm ImageJ ............................................... 42
Hình 2. 16: Vẽ đồ thị phân bố đƣờng kính sợi bằng phần mềm Minitab ...................... 42
Hình 3. 1: Ảnh kính hiển vi quang học cho thấy ảnh hƣởng của nồng độ dung dịch
polymer đến sợi đƣợc chế tạo bằng phƣơng ph p electrospinning (a) 6% kl; (b) 18%
kl; sợi lẫn hạt hình (c) 21% kl và (d) 25% kl; sợi mịn hình (e) 27% kl và (f) 29% kl. . 43
Hình 3. 2: Ảnh kính hiển vi cho thấy sự ảnh hƣởng của dung mơi đến hình thái và
đƣờng kính sợi: (a) Chloroform (b) DCM (27% kl - 0,3 ml/h - 16 kV - 17,5 cm - 25 G)
........................................................................................................................................ 45
Hình 3. 3: Ảnh hƣởng của lƣu lƣợng phun đến hình th i v k ch thƣớc sợi micro
electrospun PCL trong DCM: (a) 0,3 ml/h; (b) 0,4 ml/h; (c) 0,5 ml/h. (27% kl – 15 kV
– 17,5 cm – 20 G) ........................................................................................................... 46
Hình 3. 4: Ảnh hƣởng của điện p đặt v o lên đƣờng kính sợi micro electrospun PCL:
(a) 15 kV, (b) 16 kV, (c) 17 kV ( 5% kl DCM
ml h
cm
G) ............. 48
Hình 3. 5: Ảnh hƣởng của điện p đặt v o lên đƣờng kính sợi micro electrospun PCL:
(a) 15 kV, (b)16 kV ( 7% kl DCM
ml h
cm
G) ................................ 49
Hình 3. 6: Ảnh kính hiển vi thể hiện ảnh hƣởng của khoảng c ch đến bộ thu sản phẩm
a) 15cm; b) 17,5 cm; c) 20 cm ....................................................................................... 50
Hình 3. 7: Ảnh hƣởng của đầu kim đến đƣờng kính trung bình của sợi electrospun PCL
trong DCM: (a) 20 G; (b) 23 G (PCL 27% kl 0,3 ml/h 15 kV 17,5 cm) ............... 51
Hình 3. 8: Phổ FT-IR của hạt PCL thơ và các sợi micro electrospun PCL ................... 52
Hình 3. 9: Ảnh SEM bề mặt sợi micro electrospun PCL (PCL 27% kl DCM 0,3
ml/h 15 kV

7 5 cm
G) ..................................................................................... 53
Hình 3. 10: a) Màng phẳng PCL sau khi phủ quay trên đế PSS đồng; b) Màng phẳng
PCL sau khi tách khỏi đến PSS đồng............................................................................. 54
Hình 3. 11: Ảnh SEM mẫu màng phẳng PCL 14% ở c c độ phóng đại khác nhau ...... 55
Hình 3. 12: Ảnh SEM bề mặt màng phẳng PCL ở các nồng độ % PCL khác nhau ...... 56

vii

i


Hình
: Giai đoạn tách màng phẳng PCL bằng nƣớc cất a) Sử dụng PSS 1% kl làm
lớp đế lót; b) sử dụng PSS 2% kl làm lớp đế lớp ........................................................... 57
Hình 3. 14: Ảnh miêu tả mẫu màng khi quay với tốc độ nhanh .................................... 58
Hình 3. 15: Ảnh SEM bề mặt màng PCL 8% kl ở c c độ phóng đại khác nhau. .......... 58
Hình 3. 16 Ảnh chụp m ng sau khi đã t ch khỏi đế đồng và ảnh SEM bề mặt tƣơng
ứng a) và c); b) và d) ...................................................................................................... 59
Hình 3. 17: Mơ tả cấu trúc Interlock .............................................................................. 61
Hình 3. 18: Chế độ làm việc của TENG vertical contact–separation mode. ................. 61
Hình 3. 19: Mơ tả quá trình tiếp xúc - phân tách của thiết bị TENG [56]. .................... 62
Hình 3. 20: Ảnh chụp kính hiển vi màng sợi micro electrospun PCL ở các nồng độ
phần trăm kh c nhau ...................................................................................................... 63
Hình 3. 21: Kết quả đo điện áp hở mạch ở tần số 5Hz .................................................. 64
Hình 3. 22: a) Mẫu màng micro electrospun PCL 27% kl k ch thƣớc 4 x 4 cm trên đế
nhôm; b) Mẫu m ng convex PDMS k ch thƣớc 5 x cm trên đế nhơm. ................... 64
Hình
: So s nh điện thế hở mạch của màng phẳng PCL và màng sợi electrospun
PCL cấu trúc xốp khi kết hợp với màng PDMS lồi. ..................................................... 65

Hình 3. 24: Ảnh SEM bề mặt mẫu sợi micro electrospun PCL (PCL 27% kl DCM
0,3 ml/h 15 kV
7 5 cm
G) ............................................................................... 66
Hình 3. 25: Ảnh hƣởng của tần số đến điện thế của TENG từ màng PCL (27% kl
DCM 0,3 ml/h 15 kV
7 5 cm
G) và convex PDMS. ...................................... 67
Hình 3. 26: Ảnh hƣởng của tổng trở ngồi mạch đến cơng suất ph t điện v điện thế
của TENG từ màng PCL (27% kl DCM 0,3 ml/h 15 kV
7 5 cm
G) và
convex PDMS. ............................................................................................................... 68
Hình 3. 27: TENG từ màng PCL (27% kl DCM 0,3 ml/h 15 kV
7 5 cm
G)
và convex PDMS: a) Đƣờng cong nạp điện của tụ điện có điện dung khác nhau cho
thiết bị TENG; b) Đƣờng cong nạp điện của tụ 2,2 µF ở các tần số khác nhau ............ 69
Hình 3. 28: Thiết bị TENG từ màng PCL (27% kl DCM 0,3 ml/h 15 kV
75
cm
G) và convex PDMS thắp sáng trực tiếp 6 bóng đèn LEDs ......................... 70

viii

i


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2. 1: Nguyên liệu tham gia trong quá trình thực nghiệm ...................................... 23

Bảng 2. 2: Dụng cụ sử dụng trong thực nghiệm ............................................................ 25
Bảng 2. 3: Thiết bị sử dụng trong thực nghiệm ............................................................. 28

ix

i


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
BDP
BD TENG
BN-TENG
DCM
DMF
ES
FS-TENG
FT-IF
G
ID
ID
kl
LS-TENG
Mw
PAA
PCL
PDMS
PHB/V
PLA
PLGA

PSS
PVA
PVB
QCM
RH
SE-TENG

Tên tiếng anh
Biodegradable polymer
Biodegradable Triboelectric
Nanogenerator
Bioabsorbable TENG
Dichloromethane
Dimethyl formamide
Electric stimulation
Free-standing triboelectric layer
mode TENG)
Fourier-transform infrared
spectroscopy
Gauss
Implantable devices
Internal diameter
Lateral sliding mode TENG
Molecular weight
Polyacrylic acid
Polycaprolactone
Polydimethylsiloxane
poly (3-hydroxybutyric acid-co3- hydroxyvaleric acid
Polylactic acid
Poly(lactic-co-glycolic acid)

Polystyrene sulfonic acid
Polyacrylic acid
Poly (vinyl butyral)
Quartz Crystal Microbalance
Relative humidity
Single electrode mode TENG

Tên tiếng việt
Polymer phân hủy sinh học
M y ph t điện nano có thể
phân hủy sinh học
TENG có thể hấp thụ sinh học

Sự k ch th ch điện
Chế độ ba lớp điện cực tự do
của TENG
Quang phổ hồng ngoại

Thiết bị cấy ghép
Đƣờng kính trong
Khối lƣợng
Chế độ trƣợt ngang của TENG
Khối lƣợng phân tử

Cân vi tinh thể thạch anh
Độ ẩm tƣơng đối
Chế độ điện cực đơn của

x

i


SNTS
TENG
VCS TENG

TENG
Nanofiber - based triboelectric
Cảm biến điện ma sát dựa trên
sensor
sợi nano
Triboelectric Nanogenerator
M y ph t điện nano (máy phát
điện ma sát)
Vertical contact-separation mode Chế độ tiếp xúc – phân tách
TENG
dọc của TENG

xi

i


GVHD: TS. Nguyễn Vũ Việt Linh, TS Bùi Văn Tiến

PHẦN MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây c c thiết bị điện tử trở nên phổ biến và thịnh hành
trong xã hội hiện đại v thƣờng xuất hiện trong cuộc sống của con ngƣời. Song, cùng
với sự ra đời nối tiếp của các thiết bị điện tử mới cũng tạo ra áp lực lên việc quản l đối

với thiết bị điện tử lỗi thời, không sử dụng đến (rác thải điện tử) M y ph t điện nano
(Triboelectric Nanogenerator – TENG) ra đời và thu hút sự quan tâm của các nhà
nghiên cứu trong những năm gần đây TENG đƣợc ứng dụng để thu thập các loại năng
lƣợng cơ học có sẵn nhƣng bị lãng phí trong cuộc sống hằng ngày của chúng ta, chẳng
hạn nhƣ chuyển động của con ngƣời đi bộ rung động, kích hoạt cơ học, quay lốp, gió,
nƣớc chảy …M y ph t điện nano tƣơng đối dễ chế tạo, có nhiều lựa chọn về kiểu dáng
và loại vật liệu khi chế tạo.
Electrospinning là một kỹ thuật chế tạo sợi electrospun phổ biến trong vài thập kỉ
qua. Sợi micro electrospun PCL có ƣu điểm đ ng chú ý của sợi xốp so với những sợi
có bề mặt nhẵn là diện tích bề mặt riêng cao hơn đƣờng kính lỗ nhỏ v độ xốp cao, các
lỗ xốp có thể hấp thụ ứng suất tác dụng lên bề mặt sợi l m tăng độ dai của sợi. Ngoài
ra, PCL là một polymer tƣơng th ch sinh học và có khả năng phân hủy sinh học đặc
biệt chi ph để chế tạo khơng cao. Những đặc tính nổi bật này của sợi micro
electrospun khiến chúng trở thành ứng cử viên tối ƣu cho nhiều ứng dụng quan trọng
trong c c lĩnh vực kh c nhau nhƣ chất mang thuốc gi n mô băng vết thƣơng vật liệu
gia cố, bộ lọc, quần áo bảo hộ điện cực, cảm biến, chất xúc tác,.... Sự kết hợp giữa sợi
micro electrospun PCL v m y ph t điện nano tạo nên m y ph t điện nano có khả năng
phân hủy sinh học (Biodegradable Triboelectric Nanogenerator – BD TENG) có thể
thu năng lƣợng cơ sinh học, phân hủy sau khi hồn thành chu trình làm việc v đặc biệt
là góp phần hạn chế đƣợc vấn đề về rác thải, thay thế các thiết bị điện tử truyền thống.
Nhận thấy xu hƣớng hiện tại và thách thức đặt ra cho công nghiệp điện tử truyền
thống chúng tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo sợi Polycaprolacton (PCL) cấu
trúc xốp bằng phƣơng pháp electrospinning ứng dụng trong máy phát điện nano”
đây l sự kết hợp giữa polymer phân hủy sinh học, có t nh tƣơng hợp sinh học, tính
chất vật lý và hóa học tốt đƣợc sử dụng làm lớp điện cực cho m y ph t điện nano.
Mục tiêu và nội dung nghiên cứu đề tài
Chế tạo sợi micro electrospun PCL có cấu trúc xốp từ PCL (Mw = 65 000 –
75 000 g/mol) bằng phƣơng ph p electrospinning. Khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến
hình th i v k ch thƣớc sợi micro electrospun PCL cấu trúc xốp để tìm thơng số tối ƣu
Đ nh gi kết quả tạo sợi bằng c c phƣơng ph p k nh hiển vi quang học và kính hiển vi

điện tử quét (SEM) và phổ đo hồng ngoại FT-IR. Ứng dụng sợi micro electrospun PCL
có cấu trúc xốp vào m y ph t điện nano từ sợi micro electrospun PCL cấu trúc xốp và
màng convex PDMS.

SVTH: Nguyễn Ngọc Tuyền, Vũ Thị Kiều Tiên

i

1


GVHD: TS. Nguyễn Vũ Việt Linh, TS Bùi Văn Tiến

Tính mới của đề tài
Sự kết hợp giữa màng sợi micro electrospun PCL có cấu trúc xốp và convex
PDMS cho ứng dụng m y điện nano là một ý tƣởng mới lạ trong TENG. Tận dụng thế
mạnh giữa hai cấu trúc m ng để nâng cao hiệu suất đầu ra cho thiết bị TENG hứa hẹn
sẽ đem lại tiềm năng lớn cho tƣơng lai: là một thiết bị nhỏ gọn nhƣng đem lại hiệu suất
cao Hơn nữa, PCL là một polymer phân hủy sinh học, thân thiện môi trƣờng sẽ hạn
chế đƣợc vấn đề ô nhiễm môi trƣờng.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Tìm ra các thơng số thích hợp chế tạo sợi electrospun PCL bằng phƣơng ph p
electrospinning dựa trên việc khảo sát các yếu tố ảnh hƣởng đến hình thái và cấu trúc
sợi cuối cùng nhƣ: bản chất polymer (nồng độ dung dịch polymer), thông số chế tạo
(điện p đặt v o lƣu lƣợng phun đƣờng k nh đầu kim sử dụng,..). Các khảo sát này
nhằm tạo bƣớc đệm cho việc chế tạo sợi micro electrospun PCL có cấu trúc xốp. Sử
dụng sợi có cấu trúc này để chế tạo m y ph t điện nano (TENG), từ đó khảo sát khả
năng phát điện của vật liệu.
Ng y nay lĩnh vực điện năng v nhu cầu tiêu thụ năng lƣợng ngày càng cao,
đặc biệt là các thiết bị tiêu thụ điện năng thơng minh Do đó ng y c ng có nhiều nhu

cầu về cảm biến tự động và nguồn điện. Tuy nhiên, nếu sử dụng pin thì khá tốn khơng
gian, khó thay thế khi sử dụng trong hệ thống lớn, y tế,..., số lƣợng lớn pin khi thay thế
rất khó tái chế và có thể dẫn tới ơ nhiễm môi trƣờng. Việc sử dụng PCL làm vật liệu
thu năng lƣợng nhằm giảm ảnh hƣởng xấu đến môi trƣờng. Vì PCL có khả năng phân
hủy sinh học tốt. Chế tạo và sử dụng sợi micro electrospun cấu trúc xốp nhằm tăng
diện tích tiếp xúc để tăng khả năng thu năng lƣợng của vật liệu Do đó c c thiết bị thu
năng lƣợng nhằm mục đ ch thu năng lƣợng để bổ sung cho pin M y ph t điện nano
(TENG) đã v đang đƣợc nghiên cứu chế tạo để chuyển đổi năng lƣợng cơ năng th nh
điện năng với ƣu điểm là dễ chế tạo, nhiều lựa chọn về vật liệu và kiểu dáng.

SVTH: Nguyễn Ngọc Tuyền, Vũ Thị Kiều Tiên

i

2